新闻动态
单U、双U型埋管换热器换热性能与经济性研究点击：1927 日期：[ 2014-04-26 22:13:59 ] |
| 单U、双U型埋管换热器换热性能与经济性研究 1.薛玉伟 1.季民 2.李新国 2.赵 军 (1．天津大学环境工程学院环境工程系，天津300072；2．天津大学机械工程学院热能工程系，天津30072) 摘要：结合实际工程建立单U型与双U型埋管换热器实验系统，进行夏季排热和冬季取热实验。以单位井深换热量为评价指标对不同埋管方式的换热性能进行分析比较，得出排热和取热工况下，双U型埋管单位井深换热量均高于单U型。同时，分析了单U与双U型埋管换热器的经济成本构成，采用投资成本指标、静态投资成本差值和投资成本比数等参数，从换热性能和经济成本两方面对地下埋管换热器进行综合评价。 关键词：地源热泵；单U、双u型埋管；单位井深换热量；投资成本指标 中图分类号：TK523 文献标识码：A O 引 吾 地源热泵(Gs)是以大地为热源(热汇)，通过输人少量的高品位能量，实现低品位热能向高品位热能转移的热泵空调系统。其系统主要包括3部分：地下埋管换热器、水源热泵机组和室内空调末端系统。本文主要研究地下埋管换热器部分。地下埋管换热器的埋管方式有垂直单u型埋管、垂直双u型埋管、水平埋管、螺旋埋管和套管式埋管等。埋管回填材料也有砂石、膨润土或混凝土多种。为获得不同方式埋管换热器的换热性能，本文建立了砂石回填垂直单u型埋管和砂石回填垂直双u型埋管的地下埋管换热器实验系统，对两种埋管换热器分别进行排热和取热的换热性能实验；并以投资成本指标和单位井深换热量对埋管方式进行综合的换热性能和经济性分析。 1 实验系统简介 本文实验系统主要包括两部分：地下埋管换热器和地上测量系统。地下埋管换热器有两种方式：垂直单u型和双U型井埋管，管材均为DN32高密度聚乙烯塑料管，回填材料均为砂石。其中垂直单U型井埋管埋深80m，双U型井埋管埋深66m。地上系统由一台热泵机组、一个水箱、一台循环水泵和集分水器组成。实验系统的冷热量平衡通过水源热泵来实现，利用温控器控制水箱水温，实现埋管换热器 取热工况和排热工况下的进口水温稳定。实验系统和埋管剖面分别见图1和图2。 实验系统中，利用测量精度为0．1的水银温度计来测量埋管进出口水温，埋管流量采用浮子流量计测量，同时用称重法进行校验。数据采集点见图1。 在取热工况和排热工况下，实验采用变流量工况，但单u型和双u型埋管换热器的单位管长流量基本相同。排热工况下，埋管换热器进口水温设定在30~C和35~C；取热工况下，埋管换热器进口水温设定在3℃和5℃ 。 2 实验结果与分析 2．1 排热工况 在2003年7月，分别对单u型和双u型井埋管进行了夏季排热实验。进口水温设定为30~C和35~C，单位管长的流量基本相同，至少运行5h。所测数据结果如图3所示。进口水温3o℃时，单u型埋管出口水温平均为26．7℃，在流量为1500L／h时，其单位井深换热量(q．)基本稳定在70W／m；而双u型埋管出口水温平均为28．5℃ ，在流量为3050L／h时，其q，基本稳定在80W／m，较单u型高约14％。在进口水温为35℃ 时，单u型埋管出口水温平均为29．O~C，在流量为1000L／h时，其q．基本稳定在9oW／m；而双U型埋管出口水温平均为31．4~C，在流量为2100L／h时，其ql基本稳定在130W／m，较单u型高约44％。可见，无论进口水温是3O℃ 还是35℃ ，双u型埋管的q．均比单u型高，且进口水温升高使排热效果更明显。其主要原因是：双u型埋管单位井深的有效换热面积较单u型埋管增大近两倍，而且埋管的流量也较单u型埋管大两倍，影响换热的重要参数增大导致换热量的增大。另外，升高进口水温，增大排热温差，引起了排热量的增大。 2．2 取热工况 在2003年7月，对单u型和双u型井埋管进行了模拟冬季取热实验。设定进口水温为3~C和5~C，单位管长的流量基本相同，至少运行5h。所测数据结果如图4所示。进口水温为3℃时，单u型埋管出口水温平均为4．9~C，在流量为1500L／h时，其单位井深换热量q．基本稳定在40W／m；而双u型埋管出VI水温平均为4．3~C，流量为2900L／h时，其q．基本稳定在65W／m，较单u型高约62％。当进口水温为5~C时，单u型埋管出口水温平均为6．7oC，在流量为1500L／h时，其单位井深换热量q．基本稳定在37W／m；双u型埋管出口水温平均为6．1 oC，在流量 为2950L／h时，其q．基本稳定在58w／m，较单u型高约55％。可见，无论进口水温是3℃还是5℃ ，双U型埋管的q．均比单u型高，其原因与排热工况的相同。但升高进口水温，缩小取热温差，必然导致取热量减小。另外，此实验工况为夏季模拟取热，较实际运行的数据偏高，参考时需考虑修正。 2．3 实验结果对比分析 排热工况，单位管长流量相同、进口水温30℃时，双u型埋管的q．较单u型高约14％；在进VI水温35℃时，双u型埋管的q．较单u型高约44％。可见，无论进口水温是30℃ 还是35℃ ，双U型埋管的q．均比单u型高，且进口水温升高使排热效果更明显。取热工况，进口水温3℃时，双u型埋管单位井深换热量q．也较单u型高约62％；进VI水温5~C时，双u型埋管的q．较单u型高约55％，且升高进口水温，取热效果降低。可见，不论何种工况，双u型埋管单位井深的换热效率都比单u型埋管高，而且升高进口水温会增强排热，削弱取热。另外，任何埋管方式在起初时刻的换热效率最佳，所以间歇运行的效果较连续运行好。这是因为间歇运行使管井周围大地的温度得到恢复利于换热。 3 经济成本分析 3．1 埋管换热器的投资成本构成 地下换热器投资费用组成有：钻井费用或挖土方费用、塑料管材费用和回填费用。单u型与双u型埋管方式的投资成本列于表1、表2中。其中C。为单位井深总投资。 3．1．1 静态经济分析比较 经济分析方法有两种：静态分析法，不考虑资金的时间价值；动态分析法，考虑资金的时间价值。因工程投资期较短，不考虑资金的时间价值对结果分析影响不大，故采用静态分析法。引用两个经济参数：静态投资差额和静态投资比数。多种方案比较时，以其中一种为基准，其它方案投资成本与基准方案相比较得到的投资差值AC．为静态投资差额；其它方案投资成本与基准相比得到的比值为静态投资比数。静态投资差额或静态投资比数越大，经济性越差。 从单位井深投资成本、静态投资差额和静态投资比数等方面对单u型和双u型埋管换热器进行分析比较，其结果见表3。 由表3看出，单纯从投资成本静态分析比较得出：单u型井埋换热器优于双u型，原因是单u型井埋管单位井深只有2m管，而双u型井埋管单位井深有4m管。 3．1．2 综合分析比较 由换热性能分析和静态经济分析知，一个工程选择哪种埋管换热器，单纯考虑某一方面的成本是比较片面的。双u型井埋管的换热效果比单u型高，但经济性较差。为了较科学地分析比较不同埋管换热器，引入投资成本指标作为评价准，即“单位井深单位换热量投资成本”(c )，是单位井深的总投资c。与单位井深换热量q．的比值，将投资成本与换热性能综合在一个指标c。 中。 投资成本指标c。趑大经济性越差，投资成本指标c 单位井深换热量q。成反比，则c。 化趋势与q．也相反。单u型与双u型埋管换热器在不同工况下投资成本指标C。a白勺变化情况如图5所示。进El水温和单位管长水流量相近时，无论是取热还是排热工况，双u型埋管的c。n都低于单u型埋管，取热工况下约低30％；排热工况进口水温30℃时，几乎相等；而进口水温35℃时，约低20％。从经济性和换热性能两方面综合考虑，双u型埋管较优。 4 结 论 1)换热性能方面分析，在排热工况与取热工况下，双u型井埋管的单位井深换热性能均比单u型高。排热工况：进口水温30℃时，约14％；进口水温35℃时，约44％ 。取热工况：进口水温3℃ ，约62％ ；进口水温5~C时，约55％ ； 2)单纯从投资成本考虑，砂石回填的单u型井埋管的经济性较优； 3)单从换热性能或投资成本考虑所得到的结果有较大不同，综合考虑两方面的影响，采用投资成本指标c。将两方面相结合，能较好地评价埋管换热器，得到：双u型埋管比单u型优。 |
| 上一篇：地源热泵土壤源换热器的施工与技术 | 下一篇：阿法拉伐新一代半焊式的板式换热器 |