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地源热泵系统竖直U形管换热器设计中的问题探讨点击：2072 日期：[ 2014-04-26 22:14:16 ] |
| 地源热泵系统竖直U形管换热器设计中的问题探讨 邹慧明 北京爱华冷气公司 摘要：介绍了地源热泵系统竖直U形管换热器的设计理论。分析了U形管管径、单孔内U形管数量及热泵机组设计进水温度对换热器换热效果的影响。 关键词：地源热泵系统 竖直U形管换热器 热阻 导热系数 在地源热泵系统中，竖直U形管换热器由于相对于水平铺设的换热器形式占地面积小，传热效率高，在工程中得到了广泛的应用。地热换热器的设计一直是地源热泵技术的难点，由于缺乏对换热器在土壤中复杂的传热机理的深入研究，基础数据又少，因而实际的工程设计还没有统一的规范措施。笔者根据近几年的工程实践经验，总结了几个主要参数对竖直U形管换热器系统换热能力的影响情况。 １ 竖直U形管换热器管路设计的理论基础 由于影响地热换热器传热效果的因素较多，很多因素的边界条件又很难确定，地热换热器的传热问题至今还是行业学术界研究的重要课题。目前国际上现有的传热模型大体上可分为两大类，第一类是采用有限元或有限差分法求解地下的温度响应，并进行传热分析，以离散化数值计算为基础的数值解模型；第二类是采用Kelvin的线热源模型或无限长圆柱模型，以热阻概念为基础的解析解模型。由于地热换热器传热问题涉及的空间、时间的范围大，用第一类方法按三维非稳态问题求解实际工程问题在当前的计算条件下很不现实，不适合用作工程设计和优化。第二类方法将一些参数进行简化，用这种模糊化的方法计算钻孔外热阻主要是以无限长线热源作为模型，即一维模型，虽然忽略了钻孔有限深度和地表面作为边界的影响，在处理长时间的传热问题时会造成一定的误差，但对于以满足最不利条件为宗旨的工程设计来说还是比较适合的，目前在工程中得到了比较广泛的应用，本文中也采用这种方法作为竖直U形管换热器设计的理论基础。 １．１ 传热模型的简化 １）竖直U形管内液体介质与土壤之间的传热热阻由三部分组成：液体与管壁之间的表面传热热阻，管壁的导热热阻，土壤的传热热阻。其中液体与管壁之间的表面传热热阻与其他两项相比很小，只要在设计中确定管径时保证液体流态为湍流（雷诺数最好大于２９００），液体与管壁之间的表面传热热阻对换热器管长计算的影响很小，可以忽略。 ２）液体热介质温度在管道深度方向是变化的，实际工程中这个温差通常在５℃左右，而管道较长，温度变化率很小，为简化计算，忽略沿管道深度方向的温度变化，将液体温度考虑为某个定值。 ４）由于大地具有强大的蓄热能力，土壤温度全年波动很小。根据测定，１０～１５m深的土壤温度相当于该地区全年的平均气温，多数情况下比气温要高１～２℃；当深度达到１００m以下时，土壤的温度随深度增加而升高的趋势开始减缓。为简化计算，竖直U形管换热器系统土壤温度取定值（比气温高１～２℃）。 ５）土壤热阻的影响因素较多，系统运行情况（运行时间长短，是否间歇运行）对土壤热阻有一定的影响，对于地源热泵系统，由于建筑冷热负荷的变化，系统的运行通常都是间歇性的，为简化计算，土壤热阻值通常是以系统持续运行的土壤热阻为基数，考虑系统的运行百分率（实际间歇运行时间与持续运行时间的比值），而得到土壤的计算热阻。 １．２ 设计计算方法 １）孔深计算公式由传热学原理，竖直U形管换热器的埋设深度可以由式（１）确定。 由式（１）可以看出，竖直犝形管换热器的埋设深度与管道当量热阻、土壤热阻成正比，与土壤温度和管道水温间的温差成反比。 ２）管道当量热阻RpE 管道当量热阻计算公式为 式中 Di为管内径，mm；Kp为管道导热系数，W／（m·℃）。 ３）土壤热阻Rs 土壤热阻的计算是个很复杂的过程，目前设计主要是通过参考国内外一些现有的研究资料来进行。 ２ 竖直U形管换热器换热量影响因素分析目前行业内应用较广的地热换热器材料为高密度聚乙烯管（HDPE），这里以常用的１９mm（３／４in）和２５mm（１in）两种管径（PE１００，SDR１１），导热系数为０.４W／（m·℃）。的U形管为例，计算出相应管道的当量热阻，见表１。 传热效果较好的饱和砂土和传热效果较差的干性砂土在系统持续运行１５００h后的土壤热阻参数见表２。 ２．１ U形管管径 从表１，２可以看出，１９mm（３／４in）和２５mm（１in）两种不同的管径对于降低管道热阻和土壤热阻的作用很小，对于综合传热热阻基本上只能降低５％左右。在设计过程中，由于确定了系统的供回水温度，也就确定了系统的水流量，采用２５mm（１in）管径的管内流速要小于１９mm（３／４in）管径的管内流速，这在一定程度上对地热换热器的换热有不利影响。 从经济角度来说，２５mm（１in）管径的管材价格比１９mm（３／４in）管径的管材价格高，所以一般宜选择１９mm（３／４in）管径。 ２．２ 单孔内U形管数量 据表１，双U形管的管道当量热阻大致为单U形管的７０％；据表２，双U形管的土壤热阻大致为单U形管的９０％。采用双U形管对提高换热量有一定的作用，但由于土壤热阻相对管道当量热阻要大很多，在综合传热热阻中占较大比例，与采用单U形管相比，双U形管的换热量大约提高１０％～２５％，从相应计算结果可以看出，单孔内采用两个以上单U形管时，换热效果比双U形管的换热效果提高不多。 ２．３ 热泵机组设计进水温度 在设计过程中，热泵机组进水温度对系统设计有一定影响，以某型号热泵机组为例，设计计算结果如表３，４所示。从表中可以看出，供热工况时进水温度降低，U形管内液体与土壤之间的温差增大，单位长度管道的换热量增大，但热泵机组的能效比降低，能耗增加，机组出力降低；制冷工况时，进水温度升高，U形管内液体与土壤之间的温差增大，单位长度管道的换热量增大，但热泵机组的能效比降低，能耗增大，机组出力降低。 ３ 结论 ３．１ 增大U形管管径对提高竖直U形管换热器换热效果的影响较小，与提高的管材造价相比，是不经济的。 ３．２ 增加单孔内U形管数量对提高垂直U形管换热器的换热效果有一定的作用，但单孔内U形管数量越多，换热效果的提高越不明显。 ３．３ 进水温度与土壤温度之间的温差越大，管道换热效果越好，但热泵机组的耗电量增大，出力下降，在设计时需综合考虑系统的初投资和运行费用，选择最佳进水温度。 参考文献［１］ 章熙民，任泽霈，梅飞鸣．传热学［M］．北京：中国建筑工业出版社，１９９３ |
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