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关于垂直U型岩土换热器热屏障的研究点击：1704 日期：[ 2014-04-26 21:39:17 ] |
| 关于垂直U型岩土换热器热屏障的研究 杨李宁1，付祥钊2，张明艳3 (1.中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆401120；2重庆大学，重庆400044；3.海南元正建筑设计咨询有限公司重庆分公司，重庆401120) 摘要：旨在研究垂直单U岩土换热器的热屏障作用对其换热性能的影响。以层换热理论模型为依据，以垂直单U换热器的运行数据为支撑，分别从时间、进水温度变化以及负荷特征等方面分析研究饱和换热层热屏障作用的形成机理，以及各因素对热屏障作用的影响。从换热孔深度和连续运行时间两个方面分析热屏障对岩土换热器换热效果的负面作用。研究证明：系统运行时间、进出水温度和负荷特性均对换热性能有较大影响；突破热屏障作用的技术关键是出水管的保温隔热，保证下行换热管的传热系数远远大于上行换热管。 关键词：地源热泵；岩土换热器；层换热理论；热屏障；保温隔热 中图分类号：TU831文献标志码：A文章编号：1673-7237(2010)11-0018-04 0·引言 随着世界能源环境危机的加剧，世界各国开始重视对可再生能源的开发和应用。我国人口、经济形式，城市化进程的飞速发展，使我国的能源危机较其他国家更为突出，发展和持续运用可再生能源是缓解资源和环境危机的必由之路。因此，可再生能源在社会终端能耗大户———建筑中的运用极其重要。岩土换热器是浅层地热能应用的关键设备，增强岩土换热器的换热能力是提高可再生能源利用效率、提高工程设计质量和经济性的关键。目前，在地源热泵工程中，普遍存在的问题是没有考虑岩土换热器所承担负荷的变化特性，盲目增大埋深。岩土换热器的单位长度换热量是动态变化的，不同埋深的单位长度换热量差异也很大。岩土换热器承担的冷热负荷是影响其换热性能的关键，采用层换热理论模型，分析研究减小岩土换热器的热屏障作用措施是保证换热效果，提高换热能效，提高工程经济可靠性、安全性的关键。 1·由层换热理论看岩土换热器的热屏障作用 1.1岩土作冷热源的层换热理论模型 相关文献用层换热理论模型来描述岩土换热器与岩土的换热情况。即用L表示岩土换热器的埋设深度(该深度L为统一划分，包括进水管和出水管)则： L=L饱和+L换热+L未(1) 式中：L饱和为饱和换热层深度； L换热为换热层深度； L未为未换热层深度。 三部分深度是动态变化的，形成不同性质的深度的主要原因是进水管带入的热量和系统持续运行时间引起的。 1.2不同换热层的成因 饱和层(L饱和)形成的原因是进水管输入热(冷)量的叠加，导致该区域的岩土温度不断提高(降低)，达到一定程度时，岩土温度和进水温度接近，无工程意义上的换热发生。换热层(L换热)是指进水管穿越饱和层后，与该区域岩土温度形成了温差，大量换热在该区域发生。 当进水换热达到一定程度后，最终的温度与岩土初始温度接近，进水继续向进水管下部流动，而水温和岩土初始温度接近，岩土已无工程意义上的换热能力，该深度称为未换热层(L未)。 换热过程中，空调系统的连续运行时间和换热量强度的变化直接影响L饱和、L换热、L未的动态变化。 1.3热屏障作用的形成 岩土作为空调系统冷热源时，岩土换热器与岩土的换热过程为： 在换热之前，换热器整个深度L周围的岩土温度是其初始温度，此时L饱和=0、L换热=0、L=L未。 热媒水进入换热器后，换热从入口处开始。水在管内一边向下流动，一边通过管壁与岩土换热，温度逐渐接近岩土初始温度，直至不再有工程意义上的换热。同时，该范围内的岩土温度也发生变化，管壁周围的岩土温度向水温靠近。这就形成了换热层。这时L饱和=0、L=L换热+L未，属初始换热阶段，在回水管绝热的条件下，换热器出水温度等于岩土初始温度。 随着换热的进行，从入口处开始，管壁周围的岩土温度逐渐接近进水温度，失去换热能力，形成饱和换热层，这时L=L饱和+L换热+L未，进入正常换热阶段。在回水管绝热的条件下，换热器出水温度仍等于岩土初始温度。在正常换热阶段，随着换热的进行，饱和换热层向下扩展；换热层向下移动；未换热层向下收缩。这一趋势发展下去，到一定时间，未换热层向下收缩为零，L未=0，消失。 正常换热阶段结束，换热衰减阶段开始。在进水温度不变的条件下，换热衰减阶段保持L未=0、L=L饱和+L换热，但L饱和是持续向下扩展，L换热持续向下收缩，换热器的换热能力衰减，表现为出水温度持续向进水温度靠近，进出水温差持续减小，换热量持续下降。最后，在进水温度不变的条件下，饱和层向下扩展占据整个换热器，换热层向下收缩为零，L=L饱和出水温度等于进水温度，换热量为零，换热衰减阶段结束。相对于不变的进水温度，岩土失去了作为冷热源的能力。 饱和换热层的形成将阻碍岩土与换热器之间的热交换，它的形成和发展对换热形成了热屏障作用。 2·饱和换热层的热屏障作用分析 2.1变量假设 为了便于分析，将分析中用到的变量做以下假设： (1)岩土换热器进水温度为t 1； (2)出水温度设为t 2； (3)岩土温度假设为ts； (4)换热介质与岩土的换热时间设为； (5)岩土温度是时间的变量，设为ts； (6)换热器内流动的换热介质温度是变量，它随孔深的变化而变化，设为th； (7)换热介质向下流动时与岩土的换热量设为q下； (8)换热介质向上流动时与岩土的换热量设为q上； (9)换热介质向下流动时与岩土的传热系数设为K下； (10)换热介质向上流动时与岩土的传热系数设为K上； (11)孔深设为h； (12)岩土与换热介质的温差假设为th； (13)岩土换热器在下降和上升过程中与岩土的换热面积基本相等，假设为f。 2.2岩土换热器与岩土的换热分析 2.2.1从时间角度分析 在岩土换热器与岩土的实际换热过程中，ts和岩土与换热介质的温差th均是时间的变量；换热介质向下流动时与岩土的换热量也是时间的变量，假设为q下； 系统持续运行时间长，则换热器承担的负荷就是持续的，从而导致ts持续上升或持续下降，岩土与换热介质的温差th=th-ts下降，且岩土与传热介质的换热量q下=K下(th-ts)f下降，即换热器的换热能力逐步下降。L饱和逐渐下移，随着时间的延长，L饱和逐渐加深，L未逐渐减小；若换热时间足够长ts th，th 0，q下0，且，此时岩土与换热介质之间失去换热能力。 当系统间歇运行时，换热器周围岩土具有一定恢复时间，在夏季状况下释放给岩土的热量逐渐向周围岩土扩散，在冬季状况下周围岩土热量向换热器区域扩散，使得换热器周围的岩土从下向上恢复，L饱和减小，L未逐渐增大，换热器的换热能力逐步得到恢复。 2.2.2从换热器进水温度分析 在相同运行时间条件下，换热器进水温度的不同也会影响换热器的换热能力。换热器的换热能力衰减表现为：出水温度的持续变化(取冷时持续上升；取热时持续下降)，使进水温度跟随着相应变化，以保持进出水温差不变，从而满足稳定的负荷要求。但提供的冷热量品位下降，由可直接供冷供热变为需要热泵提升品位后才能满足要求；或使原热泵EER下降，两者都增加了运行能耗。严重时出水温度的变化，将导致热泵主机的停机保护。以品位衰减为特征的换热衰减阶段结束，岩土失去了作为冷热源的能力。 2.2.3从空调系统负荷特征分析 若换热器在稳定的冷热负荷条件下，初始换热阶段和正常换热阶段的特征是相同的。随着饱和换热层的扩展，热屏障作用增强，换热进入衰减阶段，差别也就从此开始，逐渐导致进出水温的变化，热泵机组EER降低。 若负荷持续上升，热屏障作用将使岩土较快地丧失提供冷热量的能力； 若负荷持续下降，热屏障作用较弱，岩土将较长时间地保持提供冷热量的能力； 若是间断负荷，在负荷间断时，换热衰减阶段尚未结束，之后又有足够的停歇时间让岩土扩散或汇集热量，岩土将持续地保持提供冷热量的能力； 若是冷热交替的负荷，热屏障作用也很弱，在交替时换热衰减阶段尚未结束，岩土也将持续地保持提供冷热量的能力，而且在每次交替之后，有一段时间可以获得很高品位的冷热量。 综上所述，岩土作冷热源时，负荷特征是影响饱和换热层热屏障效果的关键因素。 3·热屏障对深孔洞和长时间运行的负面影响 饱和换热层的热屏障对岩土换热器可靠、经济、高效、连续运行时间及与空调冷热负荷匹配的孔洞深的影响是不同的。 3.1热屏障对岩土换热器高效运行时间的影响 空调系统的运行方式不同时，岩土换热器连续运行的时间也不同，在其连续运行的时间内岩土换热器的换热性能是否优良与热饱和换热层的热屏障有关。图1是1#孔内岩土换热器(出水未保温)在稳定负荷下进出水温度的变化；图2是2#孔内岩土换热器(出水保温)在稳定负荷下进出水温度的变化。1#和2#换热孔深均为50 m。 由图可见，在系统连续运行8 h过程中，进出水温度呈升高趋势，进出水平均温差为2.15℃，出水温度最高为35℃。说明为了适应持续不变的负荷，换热器的进出水温度随之而变，但温差基本保持稳定，小温差和进出水温度的逐渐升高，将导致热泵机组能源利用品位的下降和运行EER的下降。 经计算，系统连续运行8 h，进出水平均温差为3℃。由图2得，系统连续运行约2 h后，进出水温差即稳定在3℃左右，出水温度最高为31℃。比较图1和图2，8 h后岩土换热器的出水管保温与不保温相比，进出水平均温差提高约0.7℃，出水温度降低4.3℃，由此导致换热器出水保温的热泵能效将明显高于未保温的主机能效。也说明换热器出水保温时热饱和换热层的发展速度较慢，换热衰减阶段的衰减速度也较慢，从而导致其热屏障作用明显降低。 3.2热屏障对换热孔深的影响 换热器进出水温度的变化可以反应其在现有孔深条件下与岩土的换热情况。 岩土换热器出水保温与不保温对其换热性能影响有较大差别，即热屏障作用直接影响换热器的有效换热深度。图3是某地下换热孔内垂直单U换热器(出水管不保温)在不同负荷下进出水温度变化情况；图4是在其他条件相同时垂直单U换热器(出水管保温)在不同负荷下进出水温度变化情况。 由图3知，随着负荷的增大和换热时间的延长，进出水温差均呈增大趋势。说明换热时间和负荷大小均对换热情况有影响，这与前文的理论研究结论是相同的。另外，以2.786 kW的负荷为例，在50 m深换热孔内，在9 h连续运行条件下，温差相对稳定在3℃，根据层换热理论，表明未换热层还未消失，岩土仍可继续供冷。但进出水温度持续增加，进水温度高达38℃，出水也达到35℃，此时能源利用品位和热泵机组的能效比均已很低。 对比图3和图4，在同样的条件下，出水管保温时岩土向系统提供的冷量比未保温时大，热泵机组运行EER也有所提高，换热层的发展速度和未换热层消失速度均较后者慢。 对比得，出水保温比未保温的热屏障作用小，则在一定孔深内，岩土换热器的有效换热量和换热时间则会增加，根据层换热理论，则热泵能效比也将有所提升。 4·结语 (1)突破热屏障的有效措施是加强换热器出水管的保温隔热，保证下行换热管的传热系数远远大于上行换热管。 (2)饱和换热层的热屏障作用直接影响岩土换热器的进出水温、热泵机组的运行能效和能源利用品位。 (3)空调系统的连续运行时间的变化直接影响L饱和、L换热、L未的动态变化，合理确定系统运行模式是提高系统运行能效的关键。 (4)根据层换热理论，系统的负荷特征通过影响L饱和、L换热、L未的变化而影响可再生能源的利用品位和利用效率。在设计阶段充分考虑工程的负荷特征是保证系统高效运行的重点。 参考文献：略 |
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