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基于换热能效度的竖直地埋管埋设深度设计点击：2119 日期：[ 2014-04-26 22:00:40 ] |
| 基于换热能效度的竖直地埋管埋设深度设计 华中科技大学 於仲义 胡平放 徐玉党 袁旭东 中南建筑设计院 马友才 摘要：根据地埋管传热特性,提出了地埋管换热能效度概念。建立了竖直地埋管换热器的三维传热模型,模拟计算了地埋管换热器能效度在不同埋设深度条件下的分布。揭示了区段能效度的迁移特性,将地埋管换热区域沿埋设深度范围分为无效换热区域和有效换热区域, 并给出了基于换热能效度的地埋管换热器长度设计方法。 关键词：地源热泵 地埋管换热器 能效度 迁移特性 1 竖直地埋管换热器埋设深度确定原则常用的竖直U形地埋管换热器如图1所示。按照管内流体流动的方向,U形管分为上升支管和下降支管。 地埋管内来自热泵机组的流体进入到下降管, 沿程与周围土壤进行换热,管内流体温度发生变化 后从地埋管上升管回到热泵机组中,从而完成一个 换热循环。在流量一定的条件下,流体与土壤的温 差越大,地埋管的单位井深换热能力就越大。在地源热泵的设计中,较普遍的做法是在满足地埋管换 热量的要求下根据单位井深换热量、埋管面积和间 距来确定埋管深度,根本没有考虑保障一定埋管出 水温度要求以达到热泵主机的高效运行。实际上, 当地埋管地源热泵运行到一定的时间后,由于土壤 的蓄能特性,周围土壤冷热量堆积使得地埋管换热 器的运行状态还要受到前一个状态的影响,地埋管换热器的换热能力随着时间增加逐渐下降,地埋管 内流体的进出口温差降低,热泵主机的运行性能变差,增加了费用。在工程项目现场已有的条件下要使地埋管的出口温度能够持续地满足主机高效运行,适当地增加地埋管换热器的埋设深度是最有效的方法。 本文以地埋管内工作流体出口温度随深度的瞬时变化程度为判定原则,通过建立地埋管换热器传热的三维传热模型,分析地埋管换热器埋设深度的设计方法。 2 地埋管换热器三维传热模型 导热型地埋管换热器的传热过程十分复杂,其换热效果受很多因素影响,如地埋管几何结构,土壤的类型、导热系数、热扩散率、含水率以及热泵运行时间,间歇运行工况,负荷大小等等。为便于理 论分析求解,作如下假设: 1)在整个传热过程中土壤的物理成分、热物性参数各向同性且保持不 变。 2)忽略地表面温度变化对顶层土壤温度的影响,使用全年平均气温作为地表面的边界条件;忽略地表面温度波动对土壤温度的影响,认为土壤的 初始温度均匀一致,且无穷远处恒定不变。 3)不 考虑水分迁移和地下水对热量传递的影响,地埋管与土壤之间的热量传递过程只是纯导热的传热过程。 4)忽略地埋管与回填材料、回填材料与井壁间的接触热阻。竖直U形地埋管换热器数学模型包括两部分:一部分是U形管壁、回填材料及土壤的导热传热模型,一部分是U形管内的流体流动与对流传热模型。 2.1 导热传热模型 U形管壁、回填材料及土壤在直角坐标系中三维瞬态导热控制方程可表示为 2.2 对流传热模型 为提高地埋管内流体换热效果,U形管内流体在湍流状态下流动。湍流流动的模型很多,K-ε双方程模型是湍流黏性系数模型中使用最多、应用最成功的一种模型,本文采用该湍流模型。 竖直U形管内的湍流流体与周围土壤传热的控制方程包括固体导热传热方程,对流换热的连续性方程、动量方程、能量方程、湍流动能方程以及湍流动能耗散率方程,所有这些方程满足如下通用形式的方程[1]: 2.3 初始化和边界条件 土壤、管壁、回填材料以及流体计算初始温度均取同一温度值,无穷远边界处的温度始终保持该 温度值。土壤与回填材料、管壁与回填材料交界处 的传热采用整体离散、整体耦合求解,其界面热流相同。管内流体与管壁间的对流传热为第三类边 界条件,采用高Re求解流体与固体间的传热,壁面附近的黏性支层区域采用标准壁面函数法来处理。U形地埋管换热器表面边界条件包括地埋管进水温度、与周围空气相邻的土壤表面换热,前者为恒定的进水温度,后者为第三类边界条件,其表面传热系数取19 W/(m2·℃)[2]。 3 地埋管换热能效度 3.1 换热能效度定义 地埋管地源热泵机组的出水进入到地埋管换热器的下降支管与周围土壤进行换热,从理论上来说地埋管出口流体温度均可以最大限度地接近土壤初温。而实际的状况是,不管是冬季还是夏季, 地埋管换热器的流体出口温度均远离了土壤初温, 造成了换热效率下降。其主要原因一方面是埋管越深钻井难度越大,成本急剧增加,从经济角度上不允许单井长度较大的地埋管;另一方面地埋管周围土壤经过一段时间的排/取热堆积了大量的热/ 冷量而温度升高/降低,因而换热能力随着时间推移逐渐下降,导致出口温度逐渐上升/降低,使得地埋管出口温度远离土壤初始温度。 针对地埋管换热器能量交换的特性,为量化地埋管换热效率,定义U形地埋管换热器能效度E为地埋管换热器实际换热量Q与最大理论换热量 Q′的比值,其表达式为 式中tin,tout,t0分别为U形地埋管换热器流体进口温度、出口温度、土壤初始温度,℃;G为地埋管内流体的质量流量,kg/s。 地埋管能效度是一个量纲一的量,在取热或排热工况下其取值范围为0~1,表征了U形地埋管与周围土壤换热后管中流体出口温度能够达到的最低或最高的能力,是换热能力的质特征体现,与地埋管换热器的设计参数相关。它是一个随换热时间增加 而变化的瞬时量,这与文献[3]中定义的效能概念有着很大的不同。理论上地埋管能效度E=0时失去换热能力,但一般认为当E<0.05时就可近似处理 为工程意义上的换热失效;若地埋管换热器的流体出口温度能够无限接近土壤初温,实际换热量就达到最大理论换热量,此时地埋管能效度E=1。 在流量一定的条件下,U形地埋管支管局部每一段与土壤的换热能力都对地埋管进出口温差产生作用,可以认为地埋管进出口温差由每小段的温差逐步叠加而成。为分析各段对地埋管整体换 热能效度的影响,可将地埋管换热器任意分成N 段,则整个地埋管进出口温差可表示为 Δt = tin-tout=Δt1+Δt2+…+Δtn(4) 式中 Δt为进出口温差,Δti(i=1,2,…,n)表示分 区段流体温差。 将式(4)两侧同时除以tin-t0,则有 （5） 借鉴能效度E的定义,将如下量纲一参数称 为地埋管区段换热能效度Ei 则地埋管总能效度(全局系数)E为区段换热 能效度Ei之和,即 E = E1+E2+…+En(7) 3.2 地埋管换热能效度迁移变化特性为了简便分析研究地埋管换热能效度变化规律,本文针对地埋管地源热泵系统夏季空调工况进行计算分析。 1)基本模拟计算条件(见表1) 2)地埋管埋设深度对能效度的影响 图2为埋设深度H分别为80,60,40 m条件下地埋管换热器能效度变化情况。 运行初期,埋设深度不同的地埋管中水与周围土壤换热的时间不同,排出的热量也有很大的差别,因而地埋管出水温度有较大差异,对应的地埋管换热器能效度分布有较大的差别,如在地埋管运行1h后,埋设深度为80,60,40 m的地埋管换热器能效度分别为0.424,0.337,0.238,相对应的进 出口温差为8.4,6.7,4.7℃。随着运行时间的增加,地埋管周围的土壤均不同程度地产生热堆积效应,对地埋管换热器能效度的影响占主导地位,能效度与前一时间段相比均有不同程度的降低,但埋设深度较大的地埋管换热器能效度比其他埋设深度小的换热器大,换热能力强。类似分析可得到冬季工况存在同样的变化规律。 由此可知,加大地埋管换热器埋设深度可以增大换热器能效度和延长地埋管持续高效换热的时间,但工程中钻井费用占整个空调系统初投资的比例很大,而且钻井越深,单位长度的费用将成倍增长,因而一般工程设计地埋管的埋设深度时大多会考虑当地的钻井费用。当然,钻井深度也并非越大越好,应根据需要和实际情况选择埋管深度,避免盲目提高地埋管换热器的埋设深度。 3)能效度迁移特性 图3为埋设深度为40 m的地埋管换热器在运行到第100 h, 1 000 h和5 000 h时下降支管的各区段换热能效度分布情况。 从图3可以看出,地埋管换热器能效度的分布既不同于等热流,也不同于等壁温的工况,也没有表现出统一的变化趋势,而是根据埋管深度的不同而有所不同。热泵机组的水流进入到地埋管的下降管中运行一段时间后,土壤上端由于靠近土壤表面可以与空气对流换热,地埋管排出的热量能够得到及时补充,因而其能效度相对于其他区段要高些。底段部分由于邻接的土壤很广,因而能效度在此段加大。地埋管换热器中间段埋管周围的土壤由于持续排热产生热堆积,导致土壤的温度不能够及时恢复,各段埋管内流体温度会有不同程度的变化,地埋管的换热能力显现出很强的区段特性。 当地埋管内流体与周围土壤的换热达到一定时间时,地埋管换热器的换热达到准稳定期。在进水温度保持不变的情况下,下降支管在一定的深度范围内的能效度相对很小,接近于0,表明该段进 出水温度没有发生很明显的变化,可近似认为此换热段的换热已接近饱和或准饱和状态,对提高整个地埋管的换热能力所起作用不大,但它是U形地埋管换热过程必不可少的部分。这是由于该段处 于下降支管的顶端,换热过程中排热量较大,使得地埋管周围的土壤温度极度上升,传热动力———埋管内流体与土壤间温差相对较小,换热效果相对于其他部位很差,如图3所示的第5 000 h工况下钻 井深度在2~6 m的范围之内。随着地埋管埋设深度的增加,区段的能效度有明显的变化。从这一 深度起,随着深度的增加,埋管内水温开始明显下降。当地埋管换热器内的流体温度下降到一定程度时,与周围土壤的温差逐渐减小,能效度逐渐降低。当接近底部后温度又有所回升。根据模拟数据分析,在地埋管换热过程中,U形地埋管换热器上升管和下降管对应深度的换热特性变化类似,因而可用下降管的换热特性为代表来分析地埋管整体换热过程,冬季工况同样如此。 从地埋管换热器区段能效度分布规律来看,地埋管内流体的温度分布有很强的分段特性。根据能效度是否大于给定值(由工程意义上的换热能力确定),可以将地埋管埋设深度范围,分为无效换热 区和有效换热区。无效换热区在地埋管埋设深度起始段,当地埋管换热器通过管壁与周围土壤的换热量和换热时间达到一定程度时,周围土壤热量产生大量堆积,区段能效度数值很小;换热器内流体 与土壤之间的换热处于准饱和换热状态,不再具有 工程意义上的价值。这个即为无效换热区,如图3中的2~6 m的钻井范围。除准饱和换热区外的区段均为有效换热区,在此区域地埋管能效度沿埋设深度变化。 在图3中,区段换热能效度随着时间的变化而变化,这种变化既表现在数值上的不同,也表现在数值发生变化的区段不同。随着地埋管地源热泵系统运行时间的增加,地埋管承担的换热量是持续的,这就导致了换热器周围的土壤温度持续上升或持续下降,换热器的换热能力也逐步下降,地埋管无效换热区逐渐增加,向深度方向推移,该区段的能效度均保持很低的状态,可将 地埋管换热器的这种特性称为换热区段能效度迁移特性。 4 基于换热能效度的地埋管换热器长度设计 4.1 地埋管换热负荷特性下的埋设深度确定 地埋管换热器的换热负荷是随着室内和机组工况动态变化的。而对于地埋管换热器埋设深度的设计,普遍存在的问题是没有根据换热器所承担负荷的动态特性作出相应的改变。甚至在地埋管换热负荷发生变化的条件下,依赖已有的试验测试或计算结果,盲目增大或主观减小埋设深度,不符合地埋管换热器实际的传热机理。从能效度量化评价角度来看,在保证了地埋管的动态换热负荷的前提下,过度增加埋设深度对加大地埋管的换热能力作用很小,已无工程意义[4]。 4.2 不同埋管流量下埋设深度的确定 地埋管地源热泵系统工程中的地埋管换热能力与进出口温差以及流速有关,增大地埋管进出口温差或管内流体流量,相应地均增大了地埋管的换热能力。为分析单位井深换热量随埋设深度和流量的变化程度,将单位井深换热量表示为 式中 qH为单位井深换热量;ρf,cf分别为循环介 质的密度和比热容;Vf为循环介质的流量。 对于单位井深换热量一定的地埋管,增加或 减小进出口温差和管内流体流量中任何一方,另 一方均相应地减小或增加。地埋管流量减小,地 埋管进出口流体温差就会增加,相应地能效度也 会增加,区段迁移趋于缓慢,地埋管的有效换热 持续时间增加[4]。总的原则是,一方面地埋管中 的流量应大一些,使管中产生湍流以利于传热; 另一方面该流量又不宜过大,以控制循环泵的功 率在合理的范围内,一般的流速推荐值为0.6~ 1.0 m/s,称为“最佳经济速度”。当然,针对不同的地埋管地源热泵系统工程,应综合考虑机组运行等相关因素,在流体流量需要取较大值的情况下,应根据需要相应地增加地埋管的埋设深度, 稳定换热能效度,保持有效换热区的持续,使得整个系统能够高效运行。 参考文献: [1] 陶文铨.数值传热学[M]. 2版.西安:西安交通大 学出版社, 2001 [2] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建 筑工业出版社, 1993 [3] 曲云霞.地源热泵系统模型与仿真[D].西安:西安 建筑科技大学, 2004 [4] 於仲义.土壤源热泵垂直地埋管换热器传热特性研 究[D].武汉:华中科技大学, 2008 |
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