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辅助散热对地源热泵地埋管换热器换热效果改善的分析点击：1911 日期：[ 2014-04-26 21:57:57 ] |
| 辅助散热对地源热泵地埋管换热器换热效果改善的分析 陈正顺1,余跃进2,张 勇1,王晏平3 (1.合肥工业大学,安徽合肥 230009;2.南京师范大学,江苏南京 210042;3.安徽建筑工业学院,安徽合肥 230022) 摘要：地源热泵在工程应用中存在大量失败的案例,原因是在具体的工程应用中未具体分析地源热泵节能的特定性。本文根据地源热泵系统地埋管换热器冬、夏季的换热的基本原理,指出夏季辅助散热对改善地埋管夏季换热的重要意义,并结合具体实验进行了分析讨论。 关键词：地源热泵;辅助散热;地埋管换热器;换热效率 中图分类号: TQ051. 5 文献标识码: A do:i 10. 3969/.j issn. 1005-0329. 2009. 09. 019 1 前言 地源热泵是以与当地气候的年平均气温相近的大地恒温段土壤为低位热源端,与空调季节的室外环境温度相比,土壤温度冬暖夏凉,为理想的热泵低位热源端。与传统空调冷热源相比,地源热泵的区别就在于将大地作为其排热或者吸热的低位热源端,它有以下优点[1]: (1)机组性能系数高,节能效果好。 (2)土壤良好的蓄热性能使得冬夏能量互补。 (3)埋地换热器不会结霜,节省了除霜能耗。 (4)环境效益显著。 (5)一机多用,应用范围广。地源热泵系统可供暖、空调,还可供生活热水。但是,在地源热泵的工程应用中有很多失败的案例,主要问题是地源热泵在运行时、特别是长时间连续运行时存在地下排热/吸热量的减少从而使机组效率下降,严重时可能导致机组的高压或低压关机保护,这将直接导致整个空调系统的瘫痪[2]。 2 辅助散热对改善地埋管换热效果的理论分析 土壤是非均匀的多孔介质,含有大量水分,地埋管在换热时,周围土壤的水分是随着热量的传播方向有一定迁移的方向。当地埋管排热时,管壁温度较其周围土壤温度高,热量是以地埋管为中心向其四周扩散,温度梯度也是同方向的,水分迁移的方向与温度场的方向大致相同,即地埋管排热时其周围土壤中的水分也向四周扩散,虽然这种现象开始由于水分子带走大量潜热增加了排热量,但是地埋管周围的土壤也会随着水分的减少而变干燥,土壤的导热系数与其含水率有很大关系[3]: 式中 h———含水率,% 从式(1)可以看出随着土壤含水率减少,土壤的导热系数下降,地埋管的换热热阻增加。另一方面,土壤干燥将导致土壤收缩,地埋管管井的回填土与原始土壤可能产生缝隙,增加接触热阻。地埋管吸热时,其换热过程与排热相反,随着埋管周围土壤水分的增加,潜热的换热量增加,埋管周围土壤的导热系数增大,冬季地埋管吸热的换热效果要好于夏季地埋管排热的换热效果。此外地埋管自身的换热量除了取决于其换热热阻也取决于地源热泵机组运行工况,地埋管的排/吸热量计算式: 可以看出随着地埋管换热的持续,其换热热阻增加,地埋管的进出口水温温差减少,出口水温在夏季工况时升高,冬季工况时下降,这都导致机组的制冷/制热效率下降。夏季机组效率下降,由式(2)可以看出,夏季随着机组效率的降低需要地埋管的排热量反而增加,这将导致地埋管换热效果的持续恶化;由式(3)可以看出机组冬季效率下降将导致地埋管的吸热量的减少,这点与夏季地埋管的排热工况正好相反,结果是地埋管吸热量减少,埋管周围换热区域的岩土能够有一定的时间恢复从而提高地埋管的换热系数,这种情况相当于冬季地埋管的换热情况是能够有一定自身调节的能力,而夏季地埋管的换热是随着排热持续进行而加速恶化。所以,对于地埋管的夏季排热工况,一定要通过辅助散热装置比如冷却塔来帮助地埋管换热效果改善,冷却塔辅助散热不仅仅是平衡地埋管冬、夏季的换热量,也是改善夏季地埋管换热效果,缓解夏季地埋管周围换热区域岩土热堆积的有效方法。地埋管换热器冬、夏季吸/排热和有辅助散热装置下的地埋管换热器的换热机理如图1~3所示。 冬季地埋管换热器换热机理如图1所示。夏季地埋管换热器换热机理如2所示。辅助散热对夏季地埋管换热改善的机理如图3所示。 通过上面分析可以看出地埋管的冬、夏季换热情况不仅取决于所服务建筑的空调负荷,也取决于地埋管换热情况,二者互相影响。总体上,地埋管换热的效果是冬季吸热状况优于夏季排热状况,在工程应用中,即使地埋管的全年吸/排热基本平衡也应该增加辅助散热系统,目的是缓解地埋管周围岩土的热堆积。 3 辅助散热对改善地埋管换热效果的试验验证 3. 1 地埋管单独运行试验 试验主机为水-水型地源热泵,额定制冷量13. 5kW,额定制热量14. 7kW,制冷EER为3. 7,制热COP为3. 9。冷却塔流量为3m3/h(圆形逆流闭式冷却塔)。地埋管长度为200m(两根60m深,一根80m深垂直单U型管,并联连接),规格为DN25,PE100聚乙烯管水泵为定流量为2. 865m3/h,单U型管管内流速为0. 8m/s。流量计口径为DN32,精确度0. 5%,量程为0. 5~3m3/h,探头采用WZP-020P型pt100探头,测温范围±50℃,四线制,采用屏蔽导线与巡检仪连接,巡检仪每3min记录一次数据。地埋管单独运行的试验时间24h。试验结果为:最大单位井深换热量为Q=85. 2W /m,最小单位井深换热量为Q=43. 5W /m。最大单位温差(地埋管内水平均温度与原始土壤温度之差)单位井深换热量为q=6. 94W /(m·K),最小单位温差单位井深换热量为q=3. 11W /(m·K)。24h内平均地埋管出水温度为31. 0℃,平均单位井深换热量为60. 2W /m,平均单位温差、单位井深换热量即地埋管单位井深换热系数为3. 95W /(m·K)。机组平均能效比为3. 48,系统平均能效比为2. 42。其试验结果如图4所示。 从试验结果来看,地埋管的单位井深换热量在机组开始运行阶段(大约7~8h)是增加的,随后运行2~3h基本不变,最后阶段随着机组继续运行而下降,单位井深单位温差的换热量在开始的7~8h内是快速下降的,之后基本保持稳定,说明在制冷机组运行7~8h之后地埋管与周围土壤的换热量基本已经达到平衡状态。GB 50366-2005规范规定单位井深、单位温差的地埋管管井换热量计算式为: 式中 Fc———制冷运行分额 Rf———传热介质与U型管壁的对流热阻 Rpe———U型管管壁热阻 Rs———地层热阻 Rsp———短期连续脉冲引起的附加热阻q的物理意义就是U型管井的当量换热系数h,很明显是随着制冷机组运行时间推移而降低的。但是这个推理分析过程是忽略地下水的流动对地埋管周围岩土换热量的影响。在试验最后阶段,整个试验室空调冷负荷减少,机组向地下排热减少,当地下水流动带走的热量大于地埋管的排热量时,整个排热过程可以理解为“土壤原始温度点向U型管中心移动”,土壤当量热阻减少。这导致最后试验最后阶段q反而略微增加。 地源热泵的研究和应用的目的就是为了提高空调冷热源机组的效率,机组的效率的提高则要求提高U型管井的当量换热系数h。从试验结果看,试验的最后阶段,随着制冷机组排热量的减少,加之地埋管周围地下水流动带走的热量,这个当量热阻是有所减少的。那么在空调制冷机组所服务的对象一定、空调负荷本身有其自身的规律情况下,要减少地埋管换热的当量热阻只有通过将部分热量通过其他排热设备比如冷却塔排走,减少地埋管向其周围岩土的排热量来实现,或者在某些情况下停止向地下排热,使地埋管周围岩土有一定的自身恢复时间,从而使地埋管换热效果得以改善。 3. 2 有冷却塔散热的混合式地源热泵系统的运行试验 有冷却塔散热的混合式地源热泵系统的运行试验是在地埋管单独运行试验结束24h后进行,周期8h,实行冷却塔与地买管并联形式,控制方式是在考虑地埋管周围岩土全年热平衡基础上设定进入地源热泵机组冷凝器入口水温为30℃[4],试验结果如图5所示。 将有辅助散热的混合式地源热泵系统与单独运行地埋管换热器的地源热泵系统运行结果总结对比,如表1所示。 从试验结果可以看出,虽然在地源热泵启动阶段地埋管的换热系数比较高,但在地埋管到达稳定工况之后(即机组运行8h后),制冷机组的能效比、空调系统能效比,地埋管换热系数,有辅助散热的混合式地源热泵系统比单独运行地埋管换热器的地源热泵系统都要高。其中地埋管的换热系数高出20. 1%,可以看出辅助冷却对地埋管换热器的换热效果有明显的改善作用。本试验由于地源热泵机组停机半年后刚刚运行,地埋管附近还未出现“热堆积”,可以推理出当地埋管经过长期运行之后,辅助冷却设备对地源热泵机组效率与地埋管换热系数的改善程度将会更大。 4 结语 地源热泵由于利用与当地年平均温度相近的土壤作为热泵的底位热源端,因此有一定的节能效果。由地埋管换热器的传热特性决定了地源热泵系统虽然有利用“地温”的优点,但是也存在热量的传递缓慢和“热堆积”的缺点。在传统的地源热泵系统基础上加上辅助散热设备可以很好的缓解地源热泵系统地埋管换热器的“热堆积”现象,最大程度的发挥其技术方面的优点,更好地实现“节能减排”。 参考文献 [1] 徐伟.地源热泵工程技术指南[M] .北京:中国建筑工业出版社, 2001. [2] 余跃进,陈正顺.南京地区混合式地源热泵系统可行性与初投资的探讨[J] .流体机械, 2008, 36(8):70-73. [3] 丁勇,李百战,卢军,等.地源热泵系统地下埋管换热器设计(2)[J].暖通空调, 2005, 35(11): 76-80. [4] 王华军,赵军.混合式地源热泵系统的运行控制策略研究[J].暖通空调2005, 37(9): 131-134. |
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