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水平螺旋地埋管地源热泵的研究情况

点击:1891 日期:[ 2014-04-26 21:35:43 ]
                     水平螺旋地埋管地源热泵的研究情况                           山东建筑大学 林 芸              山东方亚地源热泵空调技术有限公司 赵 强         山东建筑大学 山东方亚地源热泵空调技术有限公司 方肇洪     摘要:提出了适合工程设计计算的水平螺旋地埋管换热器的传热模型,该模型以无限大介质中的一维非稳态传热为基础,同时考虑单位面积埋管长度的影响及长期平均负荷和短期脉冲负荷的不同作用。讨论了单位面积埋管长度和土壤的热物性对水平螺旋地埋管换热器的影响。结合工程实例,计算了所需的埋管长度和埋管的占地面积,与竖直埋管系统进行了比较。     关键词:地源热泵 水平螺旋地埋管换热器 传热模型 单位面积埋管长度     0 引言     随着经济发展和人民生活水平的提高,公共建筑、居住建筑的供热和空调已成为普遍的需求。由于能源与环境问题成为世界各国面临的重大社会问题,地源热泵空调系统作为一种节能环保的空调系统已受到人们广泛关注[1-2]。地源热泵地埋管换热器的设置形式主要有水平埋管和竖直埋管两种,建筑物周围可用的地表面积是地埋管换热器形式的决定性因素。传统的水平埋管形式是在地面挖1~2 m深的沟,每个沟中埋设2,4或6根聚乙烯塑料管。竖直埋管形式是在地层中钻直径为0.11~0.15 m的钻孔,在钻孔中设置1组或2组U形管并用灌浆材料填实,钻孔的深度通常为40~200 m。竖直埋管的地埋管换热器可比水平埋管节省很多土地面积,同时也节省管材。水平埋管换热器所占用的土地面积会10倍(甚至更多)于竖直埋管的地埋管换热器,但开沟的施工费用通常会低于竖直埋管的钻孔费用,因此水平埋管换热器通常只适合于独栋的住宅,不适合于稍大的公共建筑和公寓。20世纪90年代,在美国出现了一种水平埋管换热器的变种,即水平螺旋埋管换热器,在美国称之为“slinky”形式的地埋管换热器[3-4],与开沟埋设的水平直埋管换热器相比,它的用地面积显著减少。特别在一些需要或适合大开挖的场合,例如在高尔夫球场区和人工湖的底下,水平螺旋埋管换热器仍可以用于中型地源热泵系统,或作为常规竖直地埋管换热器的补充。     地埋管换热器设计合理与否决定地源热泵系统的经济性和运行的可靠性,建立较为准确的地下传热模型是合理设计地埋管换热器的前提。地埋管换热器中的传热过程是一个复杂的、非稳态的传热过程,所涉及的时间尺度很长。因此,地埋管换热器传热模型的研究一直是地源热泵空调系统研究的技术难点,同时也是其核心和应用的基础。对于竖直地埋管换热器的传热分析,国际上已有大量的研究成果,也已经有一些软件可用于竖直地埋管换热器的设计计算和模拟[1]。     但对于水平地埋管换热器,还很少见到关于成熟的传热模型和设计方法的介绍。这主要是由于水平埋管离地表较近,距离通常小于2 m,因此受地表温度全年周期性变化的影响不能忽略;此外,多根水平管之间的相互影响也难以准确描述。这些都导致建立水平地埋管换热器传热模型较困难。当然,由于以前水平地埋管换热器很少用于较大的项目,按经验进行估算的设计方法常常也是可以接受的,因此对它的传热模型的需求也就不太紧迫。现在水平螺旋埋管换热器已经应用于中型地源热泵系统,单凭估算的设计计算方法已经不适合实际工程应用的需要,因此需要开发比较可靠的传热模型和设计计算方法,对影响地埋管换热器传热性能的各影响因素进行分析,并对可能的设计方案进行比较和优化。在研究比较复杂的实际工程问题的理论模型时,都会面临模型的准确性和实际可操作性之间的矛盾。本文讨论水平螺旋埋管换热器的传热分析将延续在竖直埋管换热器传热模型研究上的基本思路,利用热阻的概念,把复杂的传热过程分解为几个较为简单的环节。对每一个环节在一定的简化假定下给出负荷(热流)与温升的解析关系式,并利用叠加原理处理变负荷作用时的温升。保证在地埋管换热器的整个寿命周期中循环介质的温度都在设计要求的范围之内,对地埋管换热器进行设计计算,选择地埋管换热器的布置形式并确定埋管总长度。     1 水平螺旋埋管传热模型     1.1 土壤的温度分布     在处理地埋管的传热问题时,常常可以把大地简化为均匀的半无限大介质。由于水平埋管的埋深通常为1~2 m,大气及地表的温度波动对浅层土壤中传热过程的影响不能忽略。地表的温度变化通常可简化为周期性的日温度波和年温度波。地表日温度波的影响在地下1.5 m左右的深度就消失了,可以忽略不计。对于本文讨论的问题,主要考虑浅层土壤温度以年为周期的变化。如果把地表的年温度变化简化为一个简谐波,则离地面一定深度z处的温度响应为[5]                  式中τ为时间,s;t∞为深层土壤不受地表年温度变化影响的温度值,℃;Aw为地表年温度波振幅,℃;a为土壤的热扩散率,m2/s;T为年温度波周期,s,T=365×24×3 600;τ0为地表温度达到最大值的时间,s。     可见与地表温度相比,在距离地面不同深度处的年温度波在振幅上有一定的衰减,在时间上有一定的延迟。对于埋深为1.5 m的土壤层,当a=0.6×10-6m2/s时,这一时间延迟约为36 d。也就是说,埋设地埋管换热器的土壤层出现最低(或最高)温度的时刻与建筑最大热负荷(或冷负荷)出现的时刻会错开一段时间,这对换热器的性能是有利的。为避免模型过于复杂,对于这一工程计算问题,笔者采取偏于保守的假设,忽略温度波在时间上的延迟,只考虑在振幅上的衰减。一定深度土壤的温度在1年中偏离深层恒温层土壤温度的极值Δt0为:                  1.2 平面热源传热模型     在讨论水平螺旋埋管换热器温升问题时,将水平埋管布置的区域看成是无限大介质,散热量平均分布在埋设水平螺旋埋管的平面内,水平埋管向两侧散热。在这样的简化假定下,水平螺旋埋管换热器温升问题可以采用无限大介质中面热源一维非稳态导热模型。在初始温度均匀的无限大介质中如果从τ=0时刻开始有持续的面热源作用,可得面热源处的温度响应(即热源平面上的平均温升)Δt1为[6]                  与竖直埋管的传热分析相类似,这个非稳态导热的热阻与负荷作用的时间紧密相关。随着时间的延长,该热阻是增大的,表现为随着加热时间的延长,水平螺旋埋管换热器向上下两侧的传热能力逐渐减弱。而在运行季节的末期,该热阻为最大值,此时也是水平埋管换热器最不利的情况,在承担相同负荷的情况下,此时循环液的温度也达到了最高值。     在变负荷工况下,地埋管换热器中流体温度的升高不仅取决于长期的平均负荷,也与短期脉冲负荷的强度和持续时间有关。由于土壤层的热容量大而导热性能不佳,地埋管换热器承担长期、均衡负荷的能力较好,短时间强负荷也有可能使换热器内流体的温度超过热泵额定的进水温度。在计算流体的最大温升值时,可以把间歇工作的周期性脉冲热流简化为一个持续作用的平均热负荷和一个脉冲负荷之和,这样可以兼顾两种不同的作用,同时简化了计算。对变负荷的简化计算式如下[1,7]:                   对于冬季供热工况的温降,也可以按同样的方法计算。     1.3 从管内流体到热源平面的传热     以上的模型中假定水平埋管平面上的负荷是均匀分布的。实际上,管子不是铺满整个埋管平面,而且也不是均匀分布的。管内流体携带的热量要在埋管平面内分散开来,还要克服管内和管壁的传热热阻,以及管壁和热源平面间的传热热阻。因此在计算管内流体温度时,必须考虑管内流体到热源平面的传热热阻。与竖直埋管的传热分析相类似,同样忽略管内流体、管壁和埋管附近土壤的热容量的影响,简化为稳态传热来处理。在分析这一传热过程时,假定水平埋管在平面内是均匀分布的,埋管的密度可用单位面积土壤中平均布置的管长β来表示。如果单位面积土壤承担的热负荷为q,则单位长度的埋管承担的负荷为ql=q/β。                 由于水平埋管管壁和热源表面之间还有一个温升,所以存在热阻Rg,这个热阻与许多因素有关,考虑单位面积内布置的埋管量对换热器换热能力的影响,将此热阻定义为管间热阻。为此即假定水平埋管是由间隔均匀的平行直管道组成的,此时管道间距为1/β。由管道外壁到两管道中间区域的中点的热阻即管间热阻,可以表示为:                   单位长度管子的热阻可近似地表示为Rl=Rp+Rg,折合成单位土壤面积的热阻为R2=Rl/β,则由管内流体到热源平面的传热热阻引起的温升为:                  1.4埋管内流体的进出口极值温度                  2·工程实例分析     2.1 工程概况     该工程位于成都市某高尔夫俱乐部会所。建筑物集中布置在高尔夫球场的南部,建筑面积为5 000 m2,高尔夫球场采用大开挖的方式设置水平埋管作为地源热泵系统的热源/热汇,埋管的平均埋深为2 m。根据成都地区的气候参数,可得到地面的年温度波振幅为Aw=13.7℃,年平均温度为16℃。土壤的热物性为:a=0.6×10-6m2/s,λ=1.5 W/(m·℃),ρc=2 500 kJ/(m3·K)。     采用负荷计算软件计算出该建筑物的全年逐时负荷,如图1所示。根据建筑物的逐时负荷,分别统计计算供暖期间和空调期间的峰值负荷和平均负荷,得到建筑物的峰值冷、热负荷分别为483 kW和215 kW,运行期间的平均冷、热负荷分别为164 kW和56 kW。                  2.2 计算结果     采用前文给出的水平埋管的传热模型,输入土壤的热物性参数、建筑物负荷及负荷的持续时间,控制循环液进入地下的最高温度tmax=35℃,最低温度tmin=3℃,设计所需要的埋管长度和埋管的占地面积见表1。                   螺旋管盘旋的直径d=1.2 m,环路中心距b=2.4 m,圆圈中心距s=0.4 m,环路占地的长度L=30 m,单位面积的埋管长度β=4.76 m/m2,所需要环路数N=310,每个环路的管长为342.7 m。s,b,d,L见图2。                    从表1可看出,在计算周期中循环液进入地下的最高温度达到了设计的最高温度,循环液进入地下的最低温度仍高于设计的最低温度。因此,在该项目中所需要的埋管面积和水平螺旋管的长度是由冷负荷决定的,该建筑物的负荷特性可以说是冷负荷占优。     2.3 与竖直钻孔埋管的比较     该建筑物如果采用孔深为100 m的竖直埋管,输入建筑物的负荷和土壤的热物性参数,利用地热之星软件[1,8]进行设计计算,运行5 a保证控制循环液进入地下的最高温度tmax=35℃,最低温度tmin=3℃,则所需要的埋管长度及埋管占地面积见表2。                    比较表1,2可以发现,与竖直钻孔埋管相比,水平螺旋埋管的占地面积明显要大很多,为竖直埋管的10倍左右,埋管的长度为竖直埋管的4倍左右。     2.4 单位面积埋管长度对循环液温度的影响     在其他条件不变时,采用不同埋管长度得到的循环液极值温度如图3所示。                   从图3可以看出,在单位面积埋管长度比较小时,夏季进入地下的循环液的最高温度随着埋管长度的增加急剧下降;当单位面积埋管长度增加到一定程度时,温度的下降呈平缓的趋势,埋管长度对循环液最高温度的影响显著减小;总面积和负荷不变时,单位面积埋管长度为2.4 m/m2时循环液的最高温度为37.3℃,而单位面积埋管长度为4.76 m/m2时,夏季可保证最高温度为35.09℃。冬季在单位面积埋管长度比较小的时候,进入地下的循环液的最低温度随着埋管长度的增加急剧上升;当单位面积埋管长度增加到一定程度的时候,温度的上升呈平缓的趋势。     由此可见,当水平埋管占地总面积不变时,在一定的面积内增加埋管的数量,有利于增大换热量,因此在夏季可以降低循环液的极值温度,冬季可以升高循环液的极值温度,这样可以保证机组在运行期间高效运行,有助于降低运行费用;但是增加埋管的数量,增加了初投资。在进行水平埋管设计时应注意,不可以盲目增加埋管长度,埋管长度应有一个度的限制,超过了这个度,增加埋管的长度不会明显提高热泵机组的效率,反而会引起初投资的增加。     2.5 土壤热物性参数对设计容量的影响     土壤的导热系数λ=1.5 W/(m·K),当土壤的体积热容不同时,水平埋管的长度见表3。                   表3的数据表明,当土壤的导热系数一定时,在水平埋管布置相同的情况下,土壤的体积热容越大,所需要的埋地面积越小,埋管的总长度越小,土壤的体积热容越大,单位面积负荷越大。土壤的导热系数和体积热容是水平埋管设计时重要的物性参数,主要影响热量从水平埋管平面向上下两侧扩散的热阻R1,由式(4)可知土壤的导热系数和体积热容越大,则此热阻越小。图4显示了土壤的体积热容对埋管设计容量的影响。从图4可以看出,在土壤的体积热容一定的情况下,导热系数越大,水平埋管设计容量越小;在土壤导热系数一定的情况下,土壤的体积热容越大,水平埋管的设计容量越小。                   3·结论     提出了适合工程计算的水平螺旋地埋管的传热分析方法,基于一维面热源模型,同时考虑了单位面积埋管长度的影响,采用了负荷简化模型计算了变负荷工况下的温度响应。这一简化传热模型为水平螺旋地埋管换热器的传热分析和工程设计计算提供了必要和实用的工具。     分析表明,土壤的体积热容和导热系数越大,埋管的设计容量越小。分析了单位面积埋管长度对地埋管换热器性能的影响,为避免系统的经济性较差,单位面积埋管长度应该有一个度的限制。针对一个工程实例,在给定埋管几何布置的前提下,计算了所需的埋管面积和埋管长度,结果显示水平埋管的占地面积明显要大很多,约为埋深为100 m竖直埋管的10倍,埋管的长度约为竖直埋管的4倍。     本文提出的传热模型采用了一些简化假定,模型的可靠性和精度有待于实际工程的检验。鉴于示范工程尚在建设中,还无法得到实际运行的数据,因此理论模型的检验工作将是后续的研究任务。 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,2005 [2]徐伟.中国地源热泵发展研究报告2008[M].北京:中国建筑工业出版社,2008 [3]ASHRAE. ASHRAE handbook—HVAC systemsand equipment [M]. Atlanta:  American Society ofHeating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2008 [4]Hayes J. New twist of heat pumps [J]. PopularScience, 1992,240(2): 69-72 [5]章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学[M].北京:高等教育出版社, 1998:162-179 [6]贾力,方肇洪,钱兴华.高等传热学[M].北京:高等教育出版社,2003 [7]崔萍,刁乃仁,方肇洪.地热换热器间歇运行工况分析[J].山东建筑工程学院学报,2001,16(1): 52-57 [8]崔萍.地热换热器的传热模型及设计计算[D].济南:山东建筑工程学院,2002
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