绕管式换热器
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垂直地埋管换热器传热模型及实用分析点击：1853 日期：[ 2014-04-26 21:14:27 ] |
| 垂直地埋管换热器传热模型及实用分析 付作勇 王子彪 张坤 （沈阳建筑大学沈阳110168） 【摘要】介绍了垂直埋管地源热泵地下换热器的传热模型，给出一种适用于工程应用的近似计算方法，并就工程实践应用验证了其实用性。 【关键词】地源热泵；地埋管换热器；传热模型 中图分类号：TK521 文献标识码：A 文章编号：1671-6612（2010）03-090-04 0·引言 热泵作为节能系统的主体，其节能性体现在可以将一些不能直接利用的低品位能源，加上其本身消耗的高位能量，转化为可以直接利用的高品位能量。低品位能源有：环境空气、江/河/湖/海/地下水、岩土、各种废热等。这其中以地下水作为低品位能源的热泵效率最高，但是随着应用及研究的发展，地下水热泵暴露出不足之处，在地下水不足地区取水困难、回灌困难、会对地下环境造成污染等缺点。这样，土壤源热泵成为了研究的重点。 地源热泵技术研究重点集中在对其地下换热器的传热分析方面。将地埋管换热器下到预先钻好的井孔中之后，换热器与周围介质（土壤、岩石、地下水）之间的实际换热过程复杂，影响因素繁多，且针对地下环境又有很多当前技术无法解决的问题存在，这都为其传热模型的建立及求解带来困难。理想条件下，地埋管换热器的传热模型应该可以描述周围环境及对换热器传热过程有所影响的各个因素，这些因素包括埋管周围岩土的导热系数、密度、温湿度、换热器自身管材、管径、管中流体物理性质、流速等等，这些因素使得数学求解十分困难。因此，对其所进行的研究都是使用了某种简化的传热模型，只是假设的条件不同。 1·传热模型 对地埋管换热器进行传热分析，国际上现有的地埋管换热器的传热模型大多采用纯导热模型，忽略了多孔介质中对流的影响。这中间又可分为两大类。第一类是以热阻概念为基础的半经验性解析解设计计算公式，主要用来根据冷、热负荷估算所需的埋管长度；第二类方法是以离散化数值计算为基础的传热模型，用有限元或有限差分法等数值方法求解分析地下的温度响应。 1.1第一类传热模型 这一类方法中，以国际源热泵协会（InternationalGround Source Heat Pump Association IGSHPA）和美国供热制冷和空调工程师协会（ASHRAE）曾共同推荐的美国俄克拉荷马州立大学所推荐的方法影响最大[1]，其要点如下。收集和确定一组设计所需的初始数据，包括当地的气象、岩土数据，热泵特性，建筑供热（冷）负荷，选用管材性质等；根据最大冷（热）负荷计算地埋管所需长度。其计算过程大致如下： 上面公式中字母的含义： I(X)指数积分；ks为岩土平均导热系数，W/m·k；r0为管外径，m；n为管的数目；kp为管材导热系数，W/m·k；de当量管外径，m；COPh、COPc为热泵机组制热和制冷的性能系数；F为运行份额；Rp为管壁热阻；CAP是设计进水温度下的额定制热（冷）量，kW；T∞是岩土的初始温度；Tmin、Tmax为最高及最低进水温度，℃；L所需钻孔总长度，m。（5）利用上面的计算公式，可以用温频法进行逐月能量分析。 1.2第二类传热模型 自上个世纪80年代以来，关于地埋管换热器传热的数值分析研究非常多，这些研究的目的不同，建立的数学模型的复杂程度也不尽相同，采用的离散化和计算方法也不同。其中较早而又有影响的研究当推美国橡树岭国家实验室Mei等人的工作，采用有限差分求解并描述了岩土和管内流体中的温度分布。美国布鲁克黑文国家实验室的Metz和Andrew采用有线元法求解岩土中的三维非稳态温度分布。这里不做详细分析，具体可参考文献[2]。除了上面提到的传热模型，还有一种基于叠加原理的计算方法，是瑞典的两位研究者Eskilson和Hellstrom首先提出，国内的不少研究人员对该方法进行了进一步的发展和讨论，并取得一定成绩[3]。 从工程实际应用角度出发，应用最多的还是工程设计半经验公式，故本文只是对该计算方法进行研究。 1.3简化的传热模型 半无限大均质物体，在恒热流边界条件下，非稳态传热方法及条件： （1）整个传热过程是非稳态； （2）内部介质均为流体； （3）流体温度都有上限值或下限值。 模型需要满足某些条件，所以对地埋管换热器取如下的假设条件： （1）钻孔内的回填材料视为地下岩土的一部分，整个地下岩土部分均质； （2）钻孔内换热器采用简化模型，视为一根“当量管”； （3）埋管与周围岩土的换热可以认为是钻孔中心与周围介质进行换热，沿长度方向上传热忽略不计； （4）岩土热物性参数在试验中保持不变； （5）换热器通过形状修正系数来保证和现实中实际换热器相接近。 对于地埋管换热器，上述方程需要加形状修正系数β进行处理，以K′表示修正后的综合传热系数，表示为： 2·实例验证 这种简化的传热计算模型，究竟对工程实际应用有无指导作用，这里用一个工程实例来说明。这里假设其岩土热物性参数为定值，通过比较原设计计算中每个钻孔的换热量与采用简化计算方法得到的数据，通过两个工程实例来验证这种简化传热模型的适用性，一个是冬季供暖情况，一个是夏季供冷用，具体情况如下。 2.1工程实例一 工程实例一[6]：山东建筑大学学术报告厅，其夏季空调负荷为110kW，冬季供暖负荷时80kW。工程所处地理位置的岩土类型为：10m以上为土质，10-20m是强风化岩，20-80m是中轻风化岩，岩土平均导热系数1.53W/（m·k），容积比热容约为2000kJ/（m3k），岩土初始平均温度15℃。原地埋管系统设计情况：地埋管换热器采用的管材是高密度聚乙烯，导热系数为0.42W/（m·k）；换热器形式采用单U型；钻孔分布2行13列，26个钻孔矩阵分布；钻孔的横向间距为5m，纵向间距为4m。钻孔直径取0.055m，回填材料为水泥、膨润土和细沙混合浆，导热系数是1.5W/（m·k），循环介质为纯水，设计循环液的总流量是25 m3/h，每个钻孔深度60m。选择机组为名义制冷量130kW，名义制热量为100kW。 简化计算传热模型：该传热模型是非稳态传热过程，这里以其冬季取暖设计计算，济南冬季取暖时间为110天（11月15日-3月5号），即非稳态传热过程是110天；由于系统循环介质是纯水，其下限温度要大于等于零度，取其温度下限为1℃，这样温差是14℃；地埋管仍然采用高密度聚乙烯管，DN32mm，这里取其内径26mm，系统流速大于0.3m/s（这里取流速为0.6 m/s），保证流体处于紊流状态。 计算过程如下： （1）原设计条件下，单个钻孔换热量Q1根据《水源热泵机组》（GB/T19409—2003）中对机组主要性能参数的规定，最小性能系数COP是3.0，机组在设计工况下运行时，从地下取出的热量Qd，具体数据见表1。 （2）应用简化模型计算单个钻孔换热量Q2计算结果如表2。 （3）与原设计相比较，每个钻孔的换热量的计算误差是： 与原设计计算相比，这种计算方法的精确程度，在工程实际中应用还是可以被接受的，而且这种计算结果更趋于保守，其安全系数更大。 2.2工程实例二 工程实例二[3]：山东淄博市某高档别墅区一期工程，建筑空调采用地埋管地源热泵系统。别墅建筑面积310m2，其夏季空调负荷16kW，所在地区岩土的热物性参数：岩土平均导热系数2.97W/（m·k），综合比热容1750 KJ/（m3·k），岩土初始平均温度15℃。原设计参数如下：地埋管钻孔总长度420m，单个地埋管换热孔深70m，每个换热孔安装直径为32mm的双U型PE换热器。回填材料使用水泥砂浆，系统循环介质采用纯水加10%防冻剂的混合液，选用名义制冷量是20kW的地源热泵机组，地埋管回路循环泵流量6.5m3/h。应用简化传热模型计算，由于夏季空调运行时间处于间歇运行，淄博夏季需要空调运行时间45天（淄博地区夏季时间97天），按规范要求换热器平均温度30℃，系统流速0.8m/s。 （1）原设计条件下，单个钻孔换热量Q1根据《水源热泵机组》（GB/T19409-2003）中对机组主要性能参数的规定，最小性能系数EER是4.15，机组在设计工况下运行时，向地下放出的热量Qd等计算值见表3。 （2）应用简化模型计算单个钻孔换热量Q2计算结果如表4。 （3）与原设计相比较，每个钻孔的换热量的计算误差是： 与实例一相类似，这样的误差在工程应用中可以接受，而且在该实例中，实际情况是空调间歇运行，而非持续运行，所以其放热量要比计算得出数据要大，也就是更趋近于原设计值，同样说明简化计算方法的适用性。 3·结论 本文引入了一种应用于工程实际的地埋管换热器简化的设计计算方法，是将地埋管换热器复杂的导热/对流问题转化为相应的恒热流边界条件下的纯导热问题，通过修正系数使得模型更为接近实际。这一传热模型将地埋管换热器周围介质对换热器的复杂影响通过其综合导热系数来反映。该方法与前面提到的常用方法比较，避免了很多无法准确测得的参数的影响，其计算工作量也不是同一数量级。但是在本传热模型的计算和推导过程中，也作了一些必要的简化假定。像传热过程中换热器是恒热流，换热器除了当量尺寸还有形状修正系数等。与实际的地埋换热器和周围介质换热一定会有出入，这需要计算模型的进一步细化和研究。对于工程应用，其准确程度还是可以接受的。 参考文献: [1]Commercial/Institutional Ground-Source Heat PumpEngineering Manual [M].American Society of Heating,Refrigerating and Air-conditioning Engineers.Inc,Atlanta,1995 [2]V C Mei,C J Emerson.New approach for analysis ofground coil design for applied dissimilar pumpsystems[J].ASHRAE Transactions,1985. [3]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社,2006. [4]天津大学,同济大学,等.传热学[M].北京:中国建筑工业出版社,1980. [5]章熙民,任泽霈.传热学[M].北京:中国建筑工业出版社,2005. [6]刁乃仁.地热换热器的传热问题研究及其工程应用[D].北京:清华大学,2004. [7]王志毅,沈智广,等.深井水源热泵制热变工况实验模拟分析[J].制冷与空调,2005,5(3):71-73. [8]纪世昌,胡平放.U型垂直埋管周围土壤温度场的数值模拟[J].制冷与空调,2007,7(2):55-58. |
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