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热泵系统中埋管物性参数对换热性能影响
田刚 李晓东
(1.哈尔滨工业大学建筑设计研究院, 哈尔滨 150090; 2.黑龙江省建筑设计研究院, 哈尔滨 150001)
【摘要】以土壤源热泵系统中水平埋地换热管为研究对象,分别从埋管管材,埋管埋深以及埋管规格三个 方面进行了分析与研究,总结出埋地换热管物性参数对埋管换热性能的影响。
【关键词】 埋地换热管;物性参数;埋管换热性能
【中图分类号】 TU81 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001-6864(2009)03-0096-03
0 前言
土壤源热泵系统中水平埋地换热管物性参数是影响埋管换热性能的主要因素之一。选择合适的埋地换热管管材,选定适当的埋管深度,确定合适的埋管管径、壁厚等将会极大优化水平埋地换热管的换热性能。文中详细计算与分析了不同埋深,不同管径,不同管材的水平埋管在不同土质下的换热情况和土壤温度场情况,从而得出各因素影响规律。这些理论分析将对进一步进行土壤源热泵地下埋管换热器设计计算和实际应用提供数据储备和理论参考。
1 埋管管材影响研究
选用合适的管材作为埋地换热管对热泵系统运行非常重要。五十年代初期,普遍采用金属管材,如镀 锌钢管,铜管。金属盘管导热性能好,强度高,但抗腐蚀性差。到七十年代后期,普遍被塑料管所代替,虽然 塑料管的导热性能没有金属管好,但由于其热阻与土壤热阻相匹配,所以对埋地换热器的整体换热量影响 不大,且克服了腐蚀问题,一般埋地塑料管的使用寿命在二十几年以上。天津商学院制冷技术研究所 1989~1993年分别对塑料管和铜管的水平蛇管型、螺旋管导热性能进行研究,发现铜管导热性能优于塑料管,但在长期运行中,铜管周围土壤温度下降过快,致使蒸发温度下降,功耗增大,最后其性能系数反而小于塑料管。另外铜管成本高,在土壤中还有电腐蚀现象。因此目前国内外介绍的土壤热源热泵系统大多采用塑料管,还有部分采用易弯曲、导热性能好的铝塑管(PAP),常用管材及其导热系数如下表1。
土壤源热泵对地下换热器的水平埋管的要求如下:
(1)为保持良好的水质,要求管壁不生锈、不结垢、不滋生细菌,避免水质的“二次污染”。
(2) 要求管材耐温性能好、抗冷冻,在低温时仍能保持良好的韧性和强度,其工作温度应在-50℃~ 70℃之间。
(3) 要求管材耐腐蚀和抗老化性能好,使用寿命在50年以上,与建筑物同步。
(4) 要求管材抗压性能好,额定工作压力应在 0·6MPa以上。
(5) 要求管材表面光滑,流动阻力小。
(6) 管材导热性能好,材质的导热系数应较高。
(7) 要求管材便于安装,剪切方便,弯曲随意。
文中模拟计算了采用不同管材埋管时,埋管换热情况随埋管导热系数的变化关系,其他条件都为标准工况下的数值,见图1。
观察图1可以发现,随着埋管导热系数的增大,埋管单位管长的换热量明显增大,埋管从土壤中的取热量明显增多,但增大的幅度随着埋管导热系数的增大而减小。所以增大埋管导热系数有利于埋管换热。观图2发现,随着埋管导热系数的增大,埋管外表面平温度增大,这是由于我们假设埋管内流体温度不变,即埋管内表面温度等于管内流体温度。管内流体内表面温度不变,而换热量的增大就必然引起埋管外表面温度增大,所以图1、图2的结论是相符的。
在其他条件都为标准工况的前提下,计算几种常 用管材埋管换热量,并与导热系数0·14 W/(m·℃)的 普通PVC管相比较,比较这些材质不同的换热管的换 热性能优劣。
由表可见,高密度PE管导热系数比PVC管大3 倍左右,在相同条件下,若采用高密度PE管,埋管热 阻小,埋管取热量将比采用普通PVC管增加23·75% ~26·25%。
2 埋管埋深影响研究
水平埋管换热器目前有单、双层之分,一般单层 1·2m,双层上0·8~1m,下1·2~1·9m。单层占地面积 大,用双层或多层可以减小占地面积。由于随着埋深 的增加,夏季土壤温度逐渐降低,冬季土壤温度逐渐 升高。采暖期后,由于气温升高雨水渗透,土壤温度可 自然恢复,文献[1]认为,埋深大于2·0m,过渡季土壤温 度恢复能力较差;若埋深小于0·8m则受地表面温度 波动的影响过大,热泵性能不稳定。因此,水平埋管式 的地源热泵其埋管深度不应太浅,且最小埋设深度也 应在冻土层以下。建议埋管深度0·8~2m较好。现讨 论0·8~2m内随埋深的变化对埋管换热性能及土壤温 度场的的影响情况。见图3和图4。由图可见,随着 埋深增大,埋管换热量明显增大,埋管外表面温度增 高。可以计算,埋深从0·8m增大到2m,埋管换热量从 27·05W/m增加到30·29W/m,增加了11·99%。
当双层布置时,设地下一层埋深为0·9m,地下二层 埋深为1·8m,现考察上下两层的埋管及其周围土壤温 度变化情况,图5为埋管外表面温度变化,图6为到上 下层埋管中心各0·1m圆周上各点土壤温度变化情况。
(1) 地下一层的埋管外表面平均温度及其周围 土壤温度均低于地下二层,这说明埋深越深,土壤平 均温度越高,且计算可得,地下二层单位管长换热量 比地下一层多9·08%。
(2) 地下一层的埋管外表面温度及其周围土壤温度变化得要比地下二层变化剧烈,这说明由于埋深越深,地下二层的换热稳定性要比地下一层好。因此,在过渡季节恢复能力允许范围内,适当加大埋管埋深,不但有利于增大换热量,还有利于增强换热稳定性。
3 埋管规格影响研究
水平埋管换热器的管径一般在20~50mm之间,常 用20、25、32mm等。一般来说,管径增加,换热面积增大,换热系数只要管径变化范围使管内流体处于紊流 区,换热系数能够保持较高而且变化不大。管径增大, 换热面积增大,管内流体的热容量大,换热效果增强。由于管壁管材现多采用塑料管而非金属管,管壁的导热系数较小,这就有可能引起管壁热阻很大,因此研究管壁厚度的影响十分必要。图7和图8给出不同管径不同管壁厚的单位管长换热量和埋管外表面平均温度的变化情况。
由图可见,随着管径增大,埋管换热量明显增大, 埋管外表面温度增高。可以计算,在管壁厚都为2mm 的情况下,管径从20mm增大到40mm,埋管换热量从 26·81W/m增加到32·23W/m,增加了20·2%。而随着 管壁厚度的增大,埋管换热量明显减少,埋管外表面 平均温度也降低。在管径都为25mm的情况下,管壁 厚从0·5mm增加到7mm,埋管换热量从31·06 W/m减小到23·22 W/m,减小了25·2%。由此可见管径和管 壁厚的选择对换热量的影响十分显著,比对埋管外表面平均温度和对土壤温度的影响要大。因此可见,适当的加大管径,并在安全的前提下减小管壁厚,是有利于加强埋管与土壤换热的。
除此之外,还有管长和管间距等对埋管换热的影响,这里不作定解讨论,把一些文献中定性的结论作以归纳。地下换热器一个环路的管长并不是越长越 好。文献[2]的研究表明,水平埋管换热器的管长有一最大长度,一旦超过了该长度极限,则长度的再增加 对换热性能的影响就非常小了。但长度的增加总对 制冷有利。不同管间距的影响涉及双管或多管之间 换热的模拟,普遍认为管间距在250~300mm时,单位管长换热量与间距无关。管间距的选择应考虑当地土壤热物理性、原状土温度、管内流体温度等综合影响。对全年使用的土壤源热泵水平埋管换热器,其管间距应比只用于冬季供热的水平埋管换热器管间距, 宜取500~800mm。
4 结语
考察了影响土壤源热泵地下换热器水平埋管换热的主要因素,在介绍土壤组成和土壤物性的基础上详细研究土壤导热系数的计算方法,并详细模拟了土壤导热系数变化对埋管及其周围土壤温度场的影响,分析影响规律。而后又讨论和模拟了埋管管材及埋管埋深、管径、管壁厚度等对埋管的影响。
参考文献
[1] D A Ball.DesignMethods for Groud SourceHeat Pumps[J].ASHRAE Trans, 83,(08).
[2] 张素云.水平埋管换热器地热源热泵实验研究[D].重庆大学 硕士论文,2001,38-44.
[作者简介] 田 刚(1976-),男,山东龙口人,工学硕士,从事 供热通风与空调专业。 (编辑 陈 伟)
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