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地埋管换热器运行工况下换热量变化特性的研究点击：1759 日期：[ 2014-04-26 21:57:48 ] |
| 地埋管换热器运行工况下换热量变化特性的研究 南京工业大学 朱 琴 南京工业大学 江苏省绿色建筑工程技术研究中心 龚延风 摘要：通过对土壤热阻的理论计算和地埋管换热器的数值模拟计算,获得了地埋管换热器的温差-换热量的变化关系。理论分析与现场实测结果均表明地埋管换热器的换热量随时间的变化分为快速变化段、平缓变化段、线性变化段三个阶段,拟合出了平缓变化段和线性变化段的单位延米换热量随介质与土壤传热温差的变化公式。 关键词：地埋管换热器 时间变化特性 单位延米换热量 0 引言 地埋管换热器的设计是研究地源热泵的关键问题和难点,地埋管的设计长度过长或过短,会相应地增加地埋管地源热泵项目的初投资或降低热泵主机的运行性能。当前地埋管换热器的设计方法主要有两种,一种是较普遍使用的单位延米换热量法,这种方法操作起来比较简单,但是由于它是在某一特定工况下测试得出单位延米换热量的值,与设计工况下的土壤条件不一致,若没有科学合理的方法进行修正,就不能达到现场测试力求准确的目的[1]。另一种是耦合设计法,这种方法需要通过实测获得土壤热物性,借助专业的动态模拟设计软件对地埋管换热器进行设计。由于软件的操作比较复杂,且影响模拟计算结果的因素较多,计算的正确性也难以证明,这种方法对于工程设计人员来说实用性不够。对于第一种方法,实测得到的单位延米换热量不能直接用于地埋管换热器的设计,但是只要能找到一套修正方法,就能够弥补这一方法的缺陷,从而使地埋管地源热泵的设计更为方便。影响单位延米换热量的因素很多,有土壤的热物性、土壤温度、埋管形式、埋管深度、传热温差、地埋管进水流速、运行时间及建筑负荷等,但对于同一地区已经安装运行的地源热泵,土壤热物性、土壤的初始温度、埋管形式、埋管深度都已经确定,因此在测试工况与设计工况下,影响地埋管换热能力的最核心因素是传热温差,运行时间与建筑负荷都包含在这一因素中。管内流速在测试工况与设计工况下易保持相同,故不考虑管内流速的影响。对于不同地区,土壤的导热系数也是影响单位延米换热量的主要因素。为确定测试工况下温差-换热量的对应关系,并将其换算或修正为设计工况下的对应关系,研究地埋管换热器的动态变化特性十分必要。 笔者运用CFD数值模拟软件建立了9根单U形管的地埋管换热器真实尺寸三维数值模型,获得了比较接近地埋管实际运行工况的数据,分析讨论运行工况下单位延米换热量的影响因素与时间变化特性。 1 数学模型及数值模拟方法 1.1 几何模型及网格划分 采用GAMBIT软件建立竖直U形管的几何模型并划分网格。土壤计算区域尺寸为15 m(长)×15 m(宽)×80 m(深),采用DN32的U形管9根,管径为0.032 m,管道中心距离为0.064 m,埋管间距为5 m,回填材料区域为直径0.2 m的圆柱体。模型如图1,2所示。 1.2 假设条件 1)认为埋管周围不同深度的土壤原始温度一致且不考虑地面换热; 2)忽略U形管管壁与回填土、回填土与土壤之间的接触热阻; 3)忽略地表温度波动对土壤温度的影响,认为土壤温度均匀一致; 4)忽略土壤表面与周围环境的辐射换热; 5)认为土壤、回填材料和U形管的初始温度一致; 6)建模中忽略U形管末端弯管与土壤的换热,仅考虑竖直管道与土壤的换热,U形管末端弯管与土壤的换热量相对整个竖直管道来说很小,这种假设可以使网格划分得到很大的简化。 1.3 初始条件及边界条件 U形管内流体流动是湍流流动,采用K-ε双方程湍流模型进行模拟,控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍流动能方程和湍流动能耗散率方程,这些方程可用如下通用形式表示[2]: 式中 为通用变量;ρ,v,J,S分别为U形管内流动介质的密度、速度、扩散通量和源项。模拟中设土壤的初始温度为18℃,导热系数为2.4 W/(m·K),边界条件的设定见表1。 2 模拟结果及分析 2.1 地埋管换热器换热特性分析 2.1.1 从地层热阻分析换热量变化规律由于换热过程是在地埋管换热器中的介质与周围土壤之间进行的,所以地层热阻将是影响换热量的主要因素。根据文献[3]中地层热阻的计算公式及其近似解求解方法[4]编制计算程序,获得地层热阻的变化规律,见图3,4。 图3是地埋管换热器运行2 400 h的地层热阻变化曲线,图4是热阻变化率曲线。从图3,4可以看出,地层热阻在初始阶段迅速上升至0.15 m·K/W只用了约60 h,然后上升速度变慢,至360 h左右热阻变化率趋于稳定,而后热阻稳步上升。因此,地层热阻的变化可分为三个阶段:第一阶段是快速变化段(运行约60 h),热阻变化率从无穷大迅速下降至0.002 5 m·K/(W·h); 第二阶段是平缓变化段(运行约60 h后至约360 h),经历约300 h,热阻变化率下降至0.000 23m·K/(W·h); 第三阶段是线性变化段(运行约360 h后),热阻变化率基本稳定在0.000 083 m·K/(W·h)。由于地层热阻和换热量呈反比关系,所以单位延米换热量的变化过程与地层热阻的变化相对应,也可分为三个相同阶段。 2.1.2 数值模拟结果分析 传热温差是影响地埋管换热器换热能力的最核心因素,可通过数值模拟得出在冬、夏不同运行工况下,不同进口水温和进口流速时,传热温差和单位延米换热量的变化情况,分析二者的关系。在模拟的过程中土壤温度随地埋管释热量(吸热量)的变化而变化,模拟得到的土壤温度为土壤平均温度,U形管内水温也为进出口平均水温。模型中土壤的导热系数是一定的,模拟得出的是同一个地区地埋管换热器的运行规律。表2列出了数值模拟各个工况的参数。 对其中的一个工况进行详细分析。模型中设定进口水温35℃,进口流速0.6 m/s,模拟获得出口水温及土壤平均温度的变化情况,通过整理计算得出传热温差和单位延米换热量,见图5~9。 图5给出了传热温差随运行时间的变化曲线,传热温差随着运行时间的增加而减小。图6~8分别给出了快速变化段、平缓变化段、线性变化段单位延米换热量随运行时间的变化曲线。可以看出,快速变化段单位延米换热量从99 W/m迅速下降至71W/m,变化率为0.47 W/(m·h);平缓变化段单位延米换热量从71 W/m下降至61 W/m,变化率为0.04 W/(m·h);线性变化段单位延米换热量从61W/m下降至49 W/m,变化率为0.007 W/(m·h)。从图9可以看出单位延米换热量随传热温差的变化也分为三个阶段,与图6~8相对应。随着运行时间的增加,单位延米换热量随传热温差的减小而减小。冬季工况的模拟结果与夏季工况一致。模拟结果与理论分析得出的三个阶段相一致。 2.1.3 现场实测条件下换热量的变化特性 现场条件下,如以恒温、恒流量入口条件进行测试,地埋管换热器具有相同的换热量变化特性。图10是现场实测得到的某一单U形地埋管换热器的一个井在排热工况下运行48 h的排热量变化情况。测试开始后2~3 h,换热量急剧下降,而后下降速度变缓。如果以1 h为尺度观察,换热量似乎下降很慢,但是如果以更大的时间尺度(如20 h或30 h)观察,可以发现换热量变化很快。一般的现场热响应测试,单个工况只进行48 h,故换热量随时间的变化总是处于快速变化段。 2.1.4 地埋管换热器换热量的时间变化特性从理论计算、数值模拟和现场实测的结果来看,地埋管换热器的换热量具有相同的变化规律根据换热量变化特性可以分为快速变化段、平缓变化段和线性变化段三个阶段,每个阶段经历的时间范围大约为0~60 h,60~360 h,360 h以后。运行过程中造成地埋管换热器换热量变化的实际上是周围土壤温度分布的变化。在地埋管换热器的不稳定传热中,这种温度分布的不均匀性是与生俱来的,热量总是在热源/汇的周围堆积,从而使地埋管换热器附近的温度场对换热量有更大的影响(见图11)。 地埋管换热器附近的土壤温度升高/降低幅度越大,地层热阻增加越大,则换热量下降越快。地层热阻是在恒热流条件下计算得到的,数值模拟计算和实测则是在恒定边界条件下进行的,只恒定了地埋管入口处的参数,其换热量是在不断变化的。但无论是恒热流还是变热量,地埋管换热器都表现出了相同的时间-换热量特性。这就说明土壤温度分布主要与累积换热量有关,瞬时换热量只影响介质与土壤的传热温差,并不决定换热量的变化特性。 2.2 平缓变化段和线性变化段单位延米换热量随传热温差的变化规律 现场实测得到的是快速变化段的换热量变化特性,而设计工况下关注的是线性变化段的换热量变化特性,因此需确定在不同的土壤热参数条件下,线性变化段换热量与传热温差的关系。而且,为了进行地埋管地源热泵的全年运行效益评价,也需要确定平缓变化段换热量与传热温差的关系。对数值模拟获得的大量数据进行整理分析得出相应的变化曲线,运用线性回归和多项式拟合的方法进行曲线拟合。图12和图13分别给出了夏季工况下,进口水温35℃、进口流速0.6 m/s时,平缓变化段和线性变化段单位延米换热量随传热温差的变化曲线和拟合公式。 从图12和图13可以看出,拟合曲线与模拟曲线之间的误差很小,可忽略不计。单位延米换热量与传热温差在平缓变化段(运行约60 h后至约360h)呈二项式关系,而在线性变化段(运行约360 h后至约2 160 h)呈线性关系,模拟获得的其他工况下单位延米换热量的变化情况也具有相似的规律。表3和表4列出了夏季和冬季各个工况下平缓变化段和线性变化段的拟合公式。 从表3和表4可以看出,对于同一土壤条件下,相同流速、不同进口水温时,平缓变化段拟合公式的二次项系数,夏季随着进口温度的升高而增大,冬季随着进口温度的升高而减小,一次项系数基本相同。如果用同一公式来表示单位延米换热量与传热温差的关系,最大误差达到36%,因此需要分别用不同的公式来表示;而线性变化段拟合公式的一次项系数相同,常数项也很接近,误差只有0.1%,可以近似用同一个拟合公式来表示,也就是说在线性变化段,如果介质与土壤的传热温差相等,可以认为单位延米换热量相等。 从图14可以看出,不同的土壤导热系数下,单位延米换热量的变化趋势保持一致,都分为快速变化段、平缓变化段、线性变化段三个阶段。特别在线性变化段,无论进口水温多大,其换热特性都保持高度一致,地埋管换热器仍保持相同的换热量变化关系。但随着土壤导热系数的增大,单位延米换热量相应增大。 由于现场实测得出的温差-换热量数据无法体现不同土壤导热系数变化的差异,故不能确定线性变化段的温差-换热量的对应关系,还不能直接从现场实测条件下的换热量换算出设计工况下的换热量,必须经过转换,限于篇幅,具体的转换修正方法将另文介绍。 3 结论 3.1 地层热阻的理论计算结果表明,地埋管换热器的换热量变化过程分为快速变化段、平缓变化段和线性变化段三个阶段。从现场实测和数值模拟结果分析发现,不管进口水温和进口流速如何变化,单位延米换热量随运行时间及传热温差的变化具有与地层热阻变化相同的三个阶段。无论是恒热流还是变热量,地埋管换热器都表现出相同的时间-换热量特性。 3.2 通过数值模拟获得了平缓变化段和线性变化段换热量与传热温差的关系。对于同一土壤条件下,相同流速、不同进口水温时,平缓变化段由于误差太大换热量与传热温差的关系无法用同一公式表示,需分别表示;而线性变化段可以用同一公式表示,误差很小。对于不同土壤条件,地埋管换热器仍保持相同的换热量变化关系,但随着土壤导热系数的增大,单位延米换热量相应增大。 3.3 由于现场实测所获得的温差-换热量数据无法确定线性变化段的温差-换热量的对应关系,还不能直接从现场实测条件下的换热量换算出设计工况下的换热量,必须经过一定的转换才有可能。 参考文献: [1] 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 [2] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001 [3] 中国建筑科学研究院.GB 50366—2005 地源热泵系统工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005 [4] 舒海文,端木琳,谷彦新,等.地源热泵竖直地埋管系统设计的简明算法模型研究[J].暖通空调,2006,36(12):74-77 |
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