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U管埋地换热器周围土壤传热性能测试方法点击：2059 日期：[ 2014-04-26 22:14:26 ] |
| U管埋地换热器周围土壤传热性能测试方法 彭孝芳 朱汉宝 周亚素 （东华大学 上海 200051） 【摘要】设计了一套通过测试运行参数反推出土壤传热系数的实验系统。分析埋地换热器两种数学模型， 并采用数值分析比较了这两种模型的准确性。结果表明，采用柱源模型分析测试结果更加精确，但对于 U 型管管径较细、钻井较深的埋地换热器可采用浅源模型进行分析。 【关键词】 传热系数；线源模型；柱源模型；数值分析 中图分类号 TU119 文献标识码 A 0 前言 设计地源热泵空调系统，最关键是设计埋地换热器。埋地换热器受土壤传热特性、土壤的初始温度、钻孔内外热阻、循环液体流速与流量等因素的影响，致使很难准确确定埋地换热器的传热性能。其中，土壤的传热特性对埋地换热器的影响相当大。因此，为了更准确地确定垂直U型管埋地换热器钻井深度与数量，必须知道土壤的传热特性，即：土壤的导热系数、土壤的热扩散率与土壤的初始温度。传统估计土壤传热特性的方法是：在钻井中取土壤样本，确定样本土壤的类型，然后在《地源热泵系统设计手册》中查对应的土壤导热系数范围。例如：潮湿的石英质砂石的导热系数在3.1W/m·K~7.8W/m·K之间。工程上为了安全因素，这种土壤的导热系数就取3.1W/m·K，从而单位钻孔的传热量也取下限，导致钻孔的深度过长，钻孔数量较多，地热换热器的造价偏高。所以知道 当地土壤传热特性对减少地源热泵的地热换热器初投资具有致关重要的意义。有利于地源热泵技术在国内的推广、促进自然资源合理利用，符合实现我国可持续发展的战略目标。 1 测试系统的设计 1.1 研究背景 地下岩土的导热系数不能象测量温度、压强等那样直接测量,而只能根据传热学理论通过测量温度、热流等进行反向推算,即这是一个传热的反问题[1～2]，1983年，Morgenson就把这种测试土壤传热特性的方法定义为热响应。1995年他就开始建设这个测试实验。1996年，Eklof与Gehlin利用同样的方法探讨并设计出一套可移动的测试设备。根据热响应原理，就可以估计出土壤的热容。Gehlin与Nordell利用这套可移动的测试设备对瑞士各地的土壤传热特性进行测试，于1998年公布了他们测试的土壤传热特性数据。 为了通过测量温度与热流量估计土壤的传热特性，必须建立土壤传热模型。目前，有一些可行的数学模型是根据垂直U型管埋地换热器的特性估计它的性能。相反，本测试模型则是据根据垂直U型管埋地换热器的性能估计它的特性。一种模型是线热源模型，1948年，Ingersoll与Plass把这种模型应用到地源热泵埋地换热器中。Mogensen于1983年把这种模型应用到利用热响应实验估计土壤传热特性中。另一种模型是柱热源模型。1947年，Carslaw与Jaeger发展了具有边界条件的柱形几何模型的分析解法。Kavanaugh与Rafferty于1997年描述了柱热源模型在设计埋地换热器中的作用。但是这两种模型都需要很多简化假设。这样就影响了模型的准确性。而且，目前几乎没有文献对其误差进行分析。但为了减少误差可以结合数值模拟[2]法估计土壤的传热特性。 1.2 测试方法 本文根据热响应原理设计出一套测试埋地换热器周围岩土导热系数的实验系统[3]。如图1所示。 首先，在将要埋设地下换热器的现场钻井，按要求在垂直U型管上布置热电阻，再把这个垂直U型管埋到钻井中，在垂直U型管周围埋回填材料；然后将回填好的埋地换热器静置数天，使钻孔内循环液体水的温度与周围岩土的温度一致；其次，让水在回路中循环流动,自某一时刻起对水用一定的功率连续加热相当长的时间 (数天) ,并测量U型管进出口中水的温度,最后根据测得的数据,利用传热 学理论反算钻孔周围岩土的平均热物性参数。 1.3 测试装置 1.3.1 实验设备 如图1所示，本实验需要以下设备：（1）聚乙烯U型管：垂直埋地50m、DN32（内径为26mm）（2）保温水箱：体积为0.4M3，上方有注水口与加热器热量引入口；侧面有一个进水口、一个出水口与一个排污口；（3）循环水泵：通过水力计算选择流量Q =1.32M3 / h，流速V = 0.63m/s，扬程为5m的水泵。水泵的前或后加阀门、软接、止回阀与过滤器，通过这个阀门可以调节环路的水流量。（4）加热器：根据单位长度U型管传热率范围确定加热器的功率范围，从而选择功率在1KW～8KW之间的加热器。通过调节阀改变加热器的输入功率。 1.3.2 仪器仪表 本实验测试的循环液体水温在10℃～50℃之间。需要Pt100薄膜式铂电阻12个,其中7个附在U型管壁面上测土壤温度，精度为1%，U型管进出口各有2个测循环水温，精度为0.15%，水箱中有1个测水箱中水测温度，精度为0.15%；电磁流量计1个测管路水流量，精度为0.5%；功率表1个测加热器输入功率，精度为0.5%；压力表1个测U型管进出口压差，精度为0.25% 。实验采用通过PLC控制器收集温度、压力、流量与功率数据，通过电缆传入计算机。在计算机中安装“组态王”软件，就可以显示并记录所测试的实验数据，还可以进行动画效果处理、实时数据处理、历史数据和曲线并存。 2 传热模型 目前，研究土壤传热特性模型主要有线热源模型（Morgenson 1983）与柱热源模型（Kavanaugh andRafferty 1997）[4]。这两种模型都是利用分析法解无限大介质中的无限长热源的热传导问题。不同点仅仅是无限长热源是被视为线源还是柱源。 2.1 线热源模型 现在工程上常见的埋地换热器的钻孔直径为100～200mm，钻孔深度40～200m。与所埋管子的深度相比，钻孔直径是很小的。同时，土壤可以看作是一半无限大介质。因此，与土壤进行热交换的钻孔，就可以被近似地看着是置于半无限大介质中的线热源而进行传热分析。这种管内流体与周围土壤的换热是非稳态的，对于埋地换热器运行工况的分析，就可以采用非稳态的线热源模型。Mogensen把这个模型应用在估计土壤传热特性上，线热源数学模型如下 通过实验测试，获得循环介质的温度、单位长度散热率等数据。在温度——时间对数坐标轴上描出循环介质对应的温度，根据这些温度点拟合出一调直线，这条直线的斜率就是方程（4）的m，从而土壤的导热系数就可以算出来。 2.2 柱热源模型 工程上在处理单根钻孔U型管与地层的传热问题时，几乎都采用线热源模型。但为了更精确估计埋地换热器的传热特性，Carslaw和Jaeger把这种柱体在无限大区域内非稳态传热的U型管换热器简化成柱热源模型。这个模型的二维传热公式为： 方程（5）是在单位长度钻孔散热率qgc 不变的基础上建立的，但考虑到实验中的输入功率可能会有所变化而影响实验的准确性。Kavanaugh把时间分成n个步长，从而方程（5）就等效为式（6）： 从而，钻孔内的U型管被一个单量直径为Dequi 的圆管所代替。如果回填土的物性与周围土壤的物性相同，就可以通过G(z,1)估计出单量圆管壁的温度。流体与单量圆管壁间的热阻也就可估得。单量圆管的热阻由管壁的导热热阻、循环介质与管内壁的对流热阻两个部分组成。分别为： 循环介质与单量圆管外壁的温度差为： 3 数值分析 3.1 计算方法 采用数值法分析这两种数学模型估计土壤传热特性的准确性，需要输入以下参数：（1）加热器的输入功率；（2）土壤的初始温度；（3）几何尺寸：U型管长、管壁厚与直径，U型管两管间距，钻井直径与深度；（4）U型管物性参数：管壁的导热系数与热容；（5）回填土的物性参数：导热系数与热容；（6）土壤物性参数：导热系数与热容；（7）循环液体水物性：导热系数、热容、流速与粘性系数。利用Mathamatica软件计算出各时刻线源温度TL与柱源温度TC，得到两种温度的误差并与设定的最大误差相比较，从而寻找到不同条件下最佳的土壤传热特性的估值方法[5]。计算方框图如下： 3.2 模拟结果 利用Mathamatica软件计算出五种埋地换热器各时刻线源温度TL与柱源温度TC，并把这两种温度绘于温度――时间为坐标的图中，如图3～7。且将第180小时两种模型的温度误差列于表2。 从表2知，换热器1的温度误差最小，换热器5的误差最大。表明不同的埋地换热器结构对采用线源模型或柱源模型的精确度有很大的差距。换热器2比换热器4的钻井直径只多20mm，换热器2的温度误差是换热器4的2倍；换热器3比换热器1的钻井直径只少20mm，但换热器3的温度误差是换热器1的6倍。在其他条件一定时，钻井深度越深，根据线源模型设计的换热器比根据柱源模型设计的误差越小。从而，对于深度非常深的钻井可以采用线源模型对其传热过程进行分析。不但误差小，而且还能减少大量的计算量。换热器5比换热器4只是钻井直径与U型管管径大点，但前者的温度误差是后者的5倍。这表明在土壤物性参数与钻井深度相同时，对于大口径的钻井，垂直U型管埋地换热器得采用柱源模型进行传热过程分析。虽然加大了设计计算工作量，但可以更精确的计算出埋地U型的长度，减少埋地换热器的初投资。 从图 3～7 可知，各种换热器循环液体水的平均温度有很大的不同。如图 3 与图 5，经过 180 小时，U 型管内平均水温处在 30℃～33℃之间。而图 4、图 6 及图 7，经过 180 小时，U 型管内平均水温却处在 40℃～45℃之间。主要原因有：前者的土壤传热系数要比后者大；前者钻井深度比后者深 25m。虽然后者的土壤初始温度比前者小 5.6℃，但在加热器输入功率相同的条件下，系统经过 180小时的运行，相对较小的土壤初始温度对 U 型管内水的温度影响非常小。对于实际地源热泵空调工程，出现图 3 与图 5 的 U 型管内平均水温属于正常运行状况。通过埋地换热器传到土壤里的负荷基本上都能及时的扩散出去。图 4、图 6 及图 7 由于土壤的传热系数非常小，热量不容易扩散出去，致使大量的热量聚集在 U 型管周围，U 型管内平均水温大幅度提高，运行环境恶劣。所以在设计地源热泵工程之前，清楚土壤的传热系数及初始温度非常重要。对于初始温度为 15.6℃、传热系数为2.6K/mK 的土壤，设计成换热器 1 与换热器 3 是比较合适的。而对于初始温度为 10℃、传热系数为1.8W/mK 的土壤，设计成为换热器 2、4 与 5 就非常不恰当了。这种传热特性的土壤钻井深度必须很深，与换热器 1 及 3 相比，深度得超过 70m 才能使循环液体水平均温度降到 30℃～33℃之间。 4 结论 准确估计出土壤传热特性是设计地源热泵的前提条件。传统对土壤传热系数的估计方法已经在一定程度上阻碍了地源热泵在国内的推广。本文设计出一种采用现场测试的系统对待安装埋地换热器的土壤进行实测。而且，合理的选取计算模型能较准确的反映埋地换热器机理，并能指导选择合适的换热器形式和埋管方式，对经济评价也能作出更准确的判断。本文采用两种不同的数学模型进行了数值法分析，结果表明：不了解土壤的具体传热系数，而盲目的设计埋地换热器会导致 U 型管内水温过高，运行环境恶劣，性能系数降低。或导致钻井过深、数量过多、初投资过大。显然，采用柱源模型分析测试结果更加精确，但对于 U 型管管径较细、钻井较深的埋地换热器就可以采用线源模型进行分析。这样可以既准确又方便的估计出土壤的传热系数。无论采用哪种模型，至少经过 60 小时以后，U 型管内的水温才逐渐趋向稳定。 参考文献 [1] 于明志,方肇洪.现场测试地下岩土平均热物性参数方法[J].热能动力工程,2002,17（5）:489-492. [2] 朱瑞琪 张健明等.热响应试验方法与机理[J].西部制冷空调与暖通,1-3. |
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