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地下水渗流对垂直埋管换热器换热性能影响的实验研究点击：1780 日期：[ 2014-04-26 21:14:38 ] |
| 地下水渗流对垂直埋管换热器换热性能影响的实验研究 冯琛琛 王沣浩 张鑫 姜宇光 王新轲 （西安交通大学建筑节能研究中心西安710049） 【摘要】地埋管换热器的换热性能是地源热泵空调系统设计的关键问题之一。建立了地源热泵砂箱实验台，实验研究了地下水渗流对地源热泵地埋管换热器换热性能的影响。研究结果表明：地下水渗流可以强化地埋管的换热，且随着渗流速度的增大，强化换热作用越明显。另外，实验结果也表明，U型管周围温度峰值的位置会沿渗流方向向下游偏移，地埋管群布置时应避开该位置，以强化埋管的换热。 【关键词】地源热泵；地下水渗流；温度场分布；实验研究 中图分类号：TK52文献标识码：A 文章编号：1671-6612（2011）04-328-04 0·引言 地埋管换热器是地源热泵系统的关键部件，其换热过程是一个复杂的非稳态过程[1-3]。影响其换热性能的主要因素有：土壤的物理特性（密度、比热、湿度等）、管内工质流量、工质进口温度、钻孔的相关参数（数量、回填材料、布置形式等）、地下水渗流等[4,5]。地埋管换热器的换热盘管大部分位于地下水位以下的岩土体的饱和区内[6]，因此地下水渗流对换热器的换热性能有很大的影响，现有的国内外文献也证实了这一点[6-8]。目前国内外有关地源热泵的理论研究都是基于纯导热模型进行的[9]，而关于地下水渗流对地埋管换热器影响的研究还很少[10]，因此对有地下水渗流存在的地埋管换热器换热性能的研究具有重要的理论与工程实际意义。本文针对以上问题，搭建了地源热泵砂箱实验台，在此基础上研究了不同渗流速度对换热器换热性能影响的规律。 1·实验装置与测试仪器 1.1实验装置 本实验所搭建的砂箱实验台如图1所示，尺寸为1.5m×1.2m×1.6m（长×宽×高）。砂箱箱体中部（见A-A断面）埋设长度为3m的复合铝塑管，外径为25mm，埋管进出口与电加热水箱相连。砂箱上部和下部均设有水箱，上部水箱用钢板焊接而成，下部水箱与箱体为一整体，其上部放置承重钢板将砂体和水箱分隔开。为了保证渗流的稳定性和均匀性，在砂土与上部水箱之间铺设了3层纱布。承重钢板上铺设一层钢丝网及一层纱布，以防止砂土的渗漏，同时使整个横断面上的渗流更加均匀。考虑到渗流的连续性和稳定性，上部水箱与一高位水箱相连，作为渗流水源，下部水箱与一低位水箱相连。实验时水由高位水箱流出，靠重力作用流经砂箱流入低位水箱。水箱位置的高低及纱布层数是调节渗流速度大小的两种方法。进水管流量可调并与高位水箱相接，以维持水箱的液面高差，保证渗流的稳定性。高低位水箱的尺寸均为250mm×250mm×200mm（长×宽×高）。 将加热水箱、水泵、流量计、阀门、热电阻等仪器及设备通过管路连接好组装成移动测试车，测试车上主要部件如表1。 1.2实验测试系统 在砂箱中的B-B截面（图1）U型管周围敷设有31个K型热电偶（精度为±1.6℃），用来测量土壤的温度场，具体布置见图2。另用一热电偶测试环境温度，同时采用高精度的热电阻Pt100（精度为0.1℃）测量埋管的进出口水温。U型管内的水流量通过置于进水管上的流量传感器进行测量。温度传感器的数据采集分别采用ADAM-4018和ADAM-4015，信号数据直接由电脑实时采集，流量传感器的数据通过流量显示仪表获得。 2·地下水渗流对埋管换热器性能的影响 2.1地下水渗流对土壤温度场的影响 图3～图5分别为U型管测温断面测点31、13及25的温度随时间变化曲线。其中，31点为U型管上游测点，25点为U型管下游测点，13点为距U型管距离最近的测点。实验中取进口水温为45℃，管内流量为1.02m3/h。土壤的初始温度为15.24℃。 由图3可以看出，同一时刻，有渗流时测点31的温度较无渗流时的低，测点温度上升的速率随着渗流速度的增大而逐渐减小，这表明随着渗流速度的增大，由渗流水带走的热量逐渐增多，从而该点的温度就越低，温度升高的越慢。由图4可得到与图3相同的结论，该测点距U型管最近，运行过程中，该点温度比同一时刻上游测点31的温度高，也说明了渗流水可以将U型管向砂土传递的热量带入下游。由图5可知，不同渗流速度下，下游测点25的温度变化与上游测点有所不同。对测点25，渗流速度为3.2×10-6m/s及1.4×10-6m/s时测点温度升高的速率比无渗流时的大，这是因为渗流水将热量带入U型管下游，使得下游测点在有渗流情况下温度升高的快。 由图3～图5可以看出，有渗流时砂土温度的升高量小于无渗流时砂土温度的升高量。有渗流时上游测点的温度要低于同一时刻下游测点的温度，这是因为渗流水将U型管向砂土传递的热量带到下游，从而处于下游的砂土温度较上游砂土高。而且，随着渗流速度的不同，出现最高温度的位置有所不同。 图6给出了测试6小时后，U型管测温断面即B-B断面的实测温度分布，图中横坐标为竖直方向距U型管的距离（上游测点距离取正值，下游的取负值）。 由图6可以看出，在相同进口温度及U型管内水流速的情况下，无渗流时，测温断面的温度以U型管为中心成轴对称形式分布。有渗流存在时，由于渗流水将U型管向砂土传递的热量由上游带入下游，测温断面的温度分布不再对称。随着渗流速度的增大，砂土温度的最高值出现的位置由U型管所处的位置逐渐向下游移动，上游砂土温度的变化幅度逐渐减小，而处于下游的砂土的温度变化幅度则逐渐增大。这说明地下水渗流可以增强地埋管与土壤的换热，从而提高地源热泵机组的工作效率。在管群布置时，应考虑到渗流水会使U型管周围砂土温度最高值出现的位置沿渗流方向向下游偏移，从而下游埋管应避开该位置，以利于埋管的换热。 2.2地下水渗流对单位井深换热量的影响 图7显示了不同渗流速度下的单位井深换热量的变化情况。从图中可以看出，相对于无渗流而言，有渗流时，U型管单位井深换热量有所增加，并且随着渗流速度的增加，单位井深换热量也增加。当渗流速度由1.4×10-6m/s增加到7.1×10-5m/s时，单位井深换热量增加了31%。 3·结论 渗流水将U型管向砂土传递的热量由上游带入下游，从而使得测温断面的温度分布不再对称。随着渗流速度的增大，砂土温度的最高值出现的位置由U型管所处的位置逐渐向下游移动，U型管单位井深换热量不断增加，从而增强了地埋管与砂土间的换热，进而提高了地源热泵机组在夏季运行时的效率。因此在管群布置时，应考虑到渗流水会使U型管周围砂土温度最高值出现的位置沿渗流方向向下游偏移，从而下游埋管应避开该位置，以利于埋管的换热。 参考文献： [1]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. [2]袁艳平,雷波,余南阳,等.地源热泵地埋管换热器传热研究(1):综述[J].暖通空调,2008,38(4):25-32. [3]张旭.土壤源热泵的实验及相关基础理论研究[J].现代空调－空调热泵设计方法专辑,2001,(3):75-87. [4]丁力行,陈季芬,彭梦珑.土壤源热泵垂直单埋管换热性能影响因素研究[J].流体机械,2002,30(3):47-49. [5]Man Y,Yang HX,Fang ZH.Study on hybrid ground-coupled heat pump systems[J].Energy and Buildings,2008,40(11):2028-2036. [6]范蕊,马最良,姚杨,等.地下水流动对地下埋管换热器影响的实验研究[J].太阳能学报,2007,28(8):874-880. [7]宋著坤.地埋管换热器含水层内传热的数值模拟与实验研究[D].天津:天津大学,2006. [8]魏先勋,李元旦,林玉鹏,等.土壤源热泵的研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2003,27(2):62-65. [9]姚杨,李斌,范蕊,等.热渗共同作用下地下换热器的初步实验研究[J].暖通空调,2006,36(增刊):219-220. [10]徐伟,张时聪.中国地源热泵技术现状及发展趋势[J].太阳能,2007,(3):11-14． [11]张玲.土壤热湿传递与土壤源热泵的理论与实验研究[D].浙江:浙江大学,2006. |
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