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桩基地埋管换热器传热性能研究情况点击：1631 日期：[ 2014-04-26 21:57:57 ] |
| 桩基地埋管换热器传热性能研究情况 宫喜龙1, 周志华2, 于 洋2 (1.天津开发区管委会基本建设管理中心,天津300457; 2.天津大学环境科学与工程学院,天津300072) 摘要：土壤源热泵地埋管换热器占地面积较大,配合采用桩基地埋管换热器将大幅缩小占地面积。结合工程实例,对采用W形地埋管的桩基地埋管换热器的热流量进行了测试,其传热性能高于常规单、双U形地埋管换热器。 关键词：土壤源热泵; 桩基; 地埋管换热器; W形地埋管 中图分类号：TU995 文献标识码：B 文章编号：1000-4416(2008)04-0A01-03 土壤源热泵由于其节能环保的特性,在我国应用越来越广,尤其是在大城市的公共建筑中。但土壤源热泵地埋管换热器占地面积较大,在一定程度上限制了其进一步推广,配合采用桩基地埋管换热器将大幅缩小占地面积。本文对桩基地埋管换热器的传热性能进行研究。 1 影响地埋管换热器传热性能的因素 ① 回填材料 目前采用的回填材料主要有沙土混合物、钻孔岩浆、砂浆混凝土、火山灰黏土、铁锈砂混合物等。Allan与Kavanaugh分别采用细硅石、矾土、铁屑、金刚砂与班脱土混合作为回填材料进行研究,结果表明热导率可达到1. 70~3. 29W /(m·K),与采用砂浆混凝土相比,钻孔深度可缩短22% ~37%[1]。提高回填材料热导率可改善土壤与地埋管换热器间的传热,但随着回填材料热导率进一步提高,导热量的增加率却下降。在很多方面,含有骨料的水泥类回填材料比膨润土更具优势,回填材料中添加大颗粒骨料是提高其热导率的有效方法[2]。 ② 土壤特性 土壤源热泵的性能与土壤特性紧密相关,土壤性能又与土壤的含水量有关。潮湿土壤的土壤源热泵性能系数要比干燥土壤的高,当土壤含水量低于25%时,随着含水量的降低,土壤源热泵的性能系数迅速下降;当土壤含水量在25%以上时,土壤源热泵的性能系数将得到有效提高;而当土壤含水量超过50%后,土壤源热泵性能系数提高的趋势减缓[3]。不同类型的土壤具有不同的热导率,对土壤源热泵的性能也有较大影响。 ③ 传热介质流量 一般传热介质流量越大,单位井深热流量越大。但流量过高,必然导致地埋管换热系统运行能耗增加;流量过低,易出现结冰现象。因此,适宜的运行参数要通过分析系统各个组成部分的性能确定[4]。 2 实验系统 为了测试桩基地埋管换热器的热流量,结合实际工程,在天津塘沽地区搭建了现场实验系统,见图1。地埋管采用PE管,外径为32mm,壁厚为3mm。桩直径为850 mm,钢筋笼直径为750 mm,桩埋深为51 m。由于深度较浅,若采用单U或双U形地埋管,热流量可能无法满足设计要求,因此选用W形地埋管,PE管固定在钢筋笼上,不会对桩基的力学特性造成影响。在下桩前,在钢筋笼上设置了桩基测温点,桩基测温点深度为20 m。 3 土壤初始温度及桩基温度测试 在现场单独打井,测试土壤初始温度。土壤测温点布置深度分别为10、20、30、40、50 m,温度传感器采用Pt1000铂电阻。实验前,对温度传感器进行了标定。土壤初始温度的测试结果见图2。 桩基温度的测试从下桩后灌注混凝土时刻开始,由实测结果可知,桩基温度的变化趋势为初期上升,达到一定温度后开始下降,在灌注混凝土10 d后,桩基温度才逐渐恢复到土壤初始温度。因此,对桩基地埋管换热器热流量的测试至少应在灌注混凝土20 d后进行。 4 热流量的测试 先在制热工况下进行桩基地埋管换热器热流量的测试,测试结果见表1。传热介质流速越高,桩基地埋管换热器的热流量越大;在相同传热介质流速下,换热器传热介质进口温度越低,热流量越大。随着机组运行时间的延长,桩基地埋管换热器的热流量明显下降。制冷工况下,桩基地埋管换热器热流量的测试结果见表2。在相同换热器传热介质进口温度下,传热介质流速越高,桩基地埋管换热器的热流量越大;在相同传热介质流速下,换热器传热介质进口温度越高,热流量越大。 测试结果表明,采用W形地埋管的桩基地埋管换热器的热流量高于单、双U形地埋管换热器的热流量[5~9]。原因为混凝土的传热性能明显优于其他回填材料,而且桩基直径远大于正常情况下单、双U形地埋管换热器的钻孔直径,传热面积较大。塘沽地区土壤的含水量较高,传热效果好。 5 结论 ① 普通地埋管换热器占地面积较大,当埋管面积不足时,桩基地埋管换热器是有益的补充。 ② 采用W形地埋管的桩基地埋管换热器的热流量大于单U形、双U形地埋管换热器,尤其在土壤含水量较高的地区,优势更加明显。 参考文献: [1] CENK Y, CHIASSON A D. Performance analysis ofU-tube, concentric tube, and standing column well groundheat exchangers using a system simulation approach[J].ASHRAE Trans, 2002, (1): 925-938. [2] 庄迎春.直埋式地源热泵地下换热器研究及应用(硕士学位论文)[D].吉林:吉林大学, 2002. [3] 王景刚.自然工质热泵循环和地源热泵运行特性研究(博士学位论文)[D].天津:天津大学, 2002. [4] 程群英. 50米深埋U型管地源热泵夏季性能测试及圆柱源理论模型(硕士学位论文)[D].重庆:重庆大学, 2004. [5] 庄迎春,孙友宏,谢康和.直埋式闭式地源热泵回填土性能研究[J].太阳能学报, 2004, 25(2): 216-220. [6] 范爱武,刘伟,王崇琦.地源热泵系统中竖井深度的确定方法[J].太阳能学报, 2004, 25(5): 695-698. [7] 李新国,赵军,周倩. U型垂直埋管换热器管群周围土壤温度数值模拟[J].太阳能学报, 2004, 25(5): 703-707. [8] 赵军,张春雷,李新国,等. U型管埋地换热器三维传热模型及实验对比分析[J].太阳能学报, 2006, 27(1): 63-66. [9] 赵军,王华军,宋著坤,等. U型管埋地换热器长期性能的实验研究与灰色预测[J].太阳能学报, 2006, 27(11): 1137-1141. |
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