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地源热泵不同地源换热器的传热性能比较点击：1721 日期：[ 2014-04-26 22:14:27 ] |
| 地源热泵不同地源换热器的传热性能比较 东南大学能源与环境学院 陈九法 郭彬 胡达剑 沈炜华 南京朗诗置业股份有限公司 程洪涛 摘要:本文针对地源热泵的核心技术问题， 介绍了对两种典型地源换热器的散热试验研究： 粉质粘土中的垂直单Ｕ管、地表水中的水平单Ｕ管。研究发现，两种换热器的传热性能差别很大。从开始试验到循环水温度稳定所需要的过渡时间上，地表水换热器比粉质粘土埋管型换热器要快得多。从传热能力来看，地表水换热器的单位管长换热量比粉质粘土垂直单Ｕ管要大。 关键词:地源热泵单Ｕ管土壤型换热器 崖石型换热器 地表水型换热器 ０ 引言 利用以地表土或水源作为冷 ／ 热源的地源热泵为建筑物进行供热制冷， 已经成为近年来国内外建筑节能的技术热点［ １，２，３］ 。而地源换热器的传热性能和运行可靠性又是这类节能技术成功与否的关键。由于地表的地质构成、水文特性、物理特性等方面参数各不相同， 相应的传热性能就会随之改变， 因此在不同地区制造的地源换热器的传热性能就会不同。从事地源换热器设计， 特别对大型工程来说， 仅仅开展理论研究或实验室传热试验研究是不够的、不可靠的， 因此美国等发达国家在技术标准中明确规定， 把在施工现场进行地源换热器的实地试验研究作为工程可行性研究和工程设计的前提条件。 按照地表地质构造的不同， 地源换热器可以分成不同类型， 本文研究了两种地源换热器： 粘土型和地表水型。对于每一种类型来说， 地质构造和地理位置不同， 传热性能也会发生很大变化。对这两种换热器的研究可以帮助我们获得地源换热器的典型技术参数， 对地源热泵的研究有指导作用。 本文介绍了对粘土型、地表水型这两种地源换热器的研究及其结果。试验地点选在华东地区的两个不同地点， 采用恒热流进行散热试验研究。根据试验所得数据， 着重分析了两种地源换热器在稳定时间内的单位管长传热量。 １ 试验台介绍 本试验所采用的试验台具有温度调节、流量调节、数据采集等方面的功能， 能够模拟不同制冷工况和制热工况对地源换热器进行传热性能方面的测试， 试验台原理图见图 １。 为了适应地源换热器测试的需要， 该试验台配备了加热功能和制冷功能， 设计测试温度区间为 ５～５０℃。根据需要， 在工作温度区间能够制成任意温度的循环水流， 供散热或者取热试验使用。试验台控制系统配备ＰＩＤ 程序，可以根据要求，对循环水流进行恒热流或者恒温方面的控制。 为了满足不同流速和不同口径管道的测试需要，该试验台配置了变频器驱动的高压水泵，能够为 ＤＮ２５和ＤＮ３２换热器提供 ０．４～３ｍ／ｓ流速的稳定的循环水流。 试验台的软件平台采用 ＮＩ ＬａｂＶＩＥＷ 系统， 该程序每隔一定时间对所有传感器、控制器进行自动扫描， 并完成必要的控制操作和数据库存储工作。 该试验台具有多项技术创新， 在传感器技术、噪音隔离技术方面进行了革新改造， 确保了试验结果的准确性。对试验台传感器定期进行标定试验， 可以确保试验结果的高精度。 ２ 土壤型换热器试验与结果 土壤型换热器的试验研究是在 ５ 月份进行的。试验井打到 ８０ｍ， 没有岩石， 在地下 ０．５ｍ 处就出现了地下水。制作了２个地埋管单 Ｕ 管换热器， 一个 ８０ｍ 深、采用 ＤＮ３２ 的 ＨＤＰＥ管， 另一个 ６０ｍ 深， 采用 ＤＮ２５ 的 ＨＤＰＥ 管， 回填材料均是水泥、膨润土和黄沙。 为了测量地下土壤的原始温度， 在地埋管附近埋设了 ２个温度传感器， 深度分别是 ６０ｍ 和 ３０ｍ。地埋管传热试验开始前， 先对地下土壤进行了测量， 测得地下 ６０ｍ 和 ３０ｍ 深处的土壤温度分别是 １７．７℃和 １７．４℃。测试期间环境温度的昼夜变化区间是 ２６～３２℃。 图 ２ 记录了试验台在 ６ｈ 的散热试验过程中的温度曲线， 其中线 １ 是地埋管进水温度， 线 ２ 是地埋管的回水温度，线３是试验台的环境温度。试验一共进行了大约 ５０ｈ， 图 ２记录的 ６ｈ 试验中， 地埋管进出口水温升高的速率比较快； ６ｈ后循环水温度升高的趋势依然存在， 但是水温变化速率逐渐减小； 试验开始 １８ｈ 以后， 循环水温度升高的趋势变得非常小。可以认为， 在该试验中， 地埋管内循环水温度达到稳定所需要的时间是 １８ｈ。 土壤源换热器循环水温度达到稳定后，进水温度为３７．６０℃，回水温度为 ３４．４５℃， 水流量 １．３３２ｍ３／ｈ，经分析，得到发生在地埋管换热器中的传热负荷为每米井深 ６０Ｗ， 按照单Ｕ管的管长计算， 每米管长 ３０Ｗ。 ３ 地表水换热器试验与结果 地表水换热器的试验研究选在南京地区的一个湖中进行。该湖有水面 ３００ 亩， 夏季平均水深 ４ｍ， 冬季平均水深 ３ｍ，最深处 １０～１２ｍ， 蓄水量 ５０ ０００ｍ３。换热器选用 ＤＮ３２ 的ＨＤＰＥ 管， 水中总长度 ２００ｍ， 制成间距为 １ｍ 的 Ｕ 型管， 水平安置在水面下 ２ｍ 处。地表水换热器示意图见图 ３， 换热器的具体尺寸见图 ４。 试验在９月中旬进行， 本文选取和介绍其中一个散热试验。该试验的白天和晚上都是晴天， 气温变化区间为 ２０～２５℃， 昼夜湖水水面下 ５ｃｍ 的温度变化区间为 ２２．７￣２３．３℃，下午３点最高，凌晨６点最低。湖面下 ２ｍ处的水温稳定在 ２２．５℃左右。 试验台对 Ｕ 型管换热器进行了恒热流散热试验， 换热器中水的流量调节到 １．１７９ｍ３／ｈ， 管内循环水的流速为 ０．６１７ｍ／ｓ，图 ４ 显示了 ４ｈ 的试验过程中换热器进出口水温的变化情况。 从图 ４ 可以看出， 热泵机组启动后， 大约用了 ３０ｍｉｎ， 换热器进水温度就从试验前的 ２３．５℃上升到 ３２．３℃， 升高 ８．８℃， 达到稳定状态， 其中进水温升的 ９６％ 是在前面 ２０ｍｉｎ 内完成的， 这显示了地表水换热器在运行中的一个特性， 即换热器中循环水达到稳定状态所需的时间很短。 回水温度在试验开始后的 ５ｍｉｎ， 从 ２３．５℃下降到 ２３．０℃，在以后的 ２５ｍｉｎ 上升到 ２５．２℃。回水温度的动态时间也是大 约 ３０ｍｉｎ， ３０ｍｉｎ 后回水温度曲线趋于平稳。图 ４ 中显示的换热器在开始 ５ｍｉｎ 内出现的回水温度下降， 是 Ｕ 型管换热器中的密封水造成的， ５ｍｉｎ 后最先从试验台流出的加热水才返回到试验台的回水口， 促使回水温度逐渐升高。 试验开始 ３０ｍｉｎ 以后， 换热器的进出口水温就达到稳定。在以后的长达 ２４ｈ 的昼夜连续试验中， 湖面温度有 ０．６℃的变化， 在 ９．８ｋＷ 恒热流的加热作用下， 试验台的进出口水温保持不变。相对于 ２２．６℃的湖水， 换热器进水侧与湖水的温差维持在 ９．７℃， 而回水侧管内外的温差稳定在 ２．６℃， 换热器进出口温差达到 ７．１℃。 从表１可以看出， 相对于 ９．８ｋＷ 的传热量， 在进水温度为３２．３℃时， 水平 Ｕ 型管的单位管长换热量可以达到 ４９Ｗ 左右。考虑单 Ｕ 管占有的传热面积包括 Ｕ 型管外侧和内侧两部分， 假定外侧的影响半径为 Ｕ 型管两侧各 ０．５ｍ， ２００ｍ 水平 Ｕ型管占有的湖面面积为 ２００ｍ２， 单位水域面积的散热量为４９Ｗ／ｍ２。水平 Ｕ 型管换热器占有的水面面积较大， 如果改用盘管或者螺旋管， 换热器占有的水面面积将会减小， 单位面积湖面的传热量就会加大。 ４ 两种地源换热器试验结果的比较与分析 上述两种地源换热器的换热量散热试验发生在不同地点、不同时间， 进水温度与流量也有些差别， 但是对两者的比较可以反映二者的传热性质差异。 比较换热器内循环水温度达到基本稳定所需要的时间，地表水换热器比土壤源换热器要快得多。地表水换热器在试验开始半小时内循环水温度达到稳定， 而粘土型地埋管换热器内的循环水温度在试验启动后 １８ｈ 才趋于稳定。 比较传热能力， 地表水换热器单位管长散热量比土壤源换热器大。地表水换热器单位管长散热量为 ４９Ｗ， 而土壤源换热器的单位管长散热量为 ３０Ｗ。 参考文献 １ 赵军，张春雷，李新国，余乐渊，宋德坤． Ｕ 型管埋地换热器三维传热模型及实验对比分析．太阳能学报， ２００６， ２７（ １） ： ６３￣６６ |
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