地下水流动对地下埋管换热器影响的实验研究

点击：1884 日期：[ 2014-04-26 22:55:02 ]

bsp; 地下水流动对地下埋管换热器影响的实验研究 1.范蕊 2.马最良 2.姚杨 2.李斌(1．同济大学中德工程学院，上海200092；2．哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090) 摘要：为确定地下水渗流对竖直地下埋管换热器的影响，该文从实验角度出发，分别对无渗流土壤、饱和土壤中地下埋管换热器热负荷对其周边土壤温度场的影响，有渗流土壤中地下水流速、土壤初始温度以及埋管热负荷对土壤温度场的影响进行了实验，从而得出在夏热冬冷地区或亚热带地区应用土壤源热泵时，宜采用冷却塔．土壤源热泵混合系统形式或将地下埋管换热器埋设在地下水流速较大地区，以期土壤源热泵的长期良好运行。关键词：地下水流动；地下埋管换热器；实验研究中图分类号：TK52 文献标识码：A 0 引目土壤源热泵在我国发展前景广阔，但其影响因素很多(其中土壤热特性参数的不确定性是地下埋管换热器设计时最关键的问题)，而且这些参数易变、很难从标准中估计得到⋯。目前的岩土热物性参数测试常采用现场取样，再用标准平板导热仪进行测量，从而得到岩土的热物性参数(ρ、 λ、c)。这仅考虑了热传导的过程，而忽视了地下水流动对其的影响，势必影响现场测试结果的精度，最终引起换热器大小的变化。Cane和Forgas_2 估计当前北美土壤源热泵工程实例中地下埋管换热器的管长都超长10％一30％，这使得土壤源热泵更难于在短期内回收资金。此外，在美国明尼苏达州曾出现现场测试的土壤导热系数极度偏高，后经分析是地下水流动引起的。土壤是固、液、气多孔介质，对于垂直U型埋管换热器，管段大部分位于地下水位线以下的土壤饱和区内，因此地下水渗流的影响尤为重要，尤其对于孑L隙率较高、渗流系数较大的含水层。此时，地下埋管周围土壤内发生的是热传导和地下水渗流共同作用下的复杂的、非稳定的传热传质过程，简称热渗耦合传热过程。在对该问题进行理论研究之后，本文又进一步对该问题展开实验研究，实验设备、实验数据及分析如下。 1 实验台实验台主要由砂箱、风冷冷水机组、冷水箱、热水箱、电加热设备、温度测量装置等部分组成(如图1)。为模拟地下埋管换热器，在砂箱中心安装了一根功率可调的电加热器作为线热源。其设备尺寸及规格见表1。 1．1 砂箱为模拟地下水流过地下埋管区域，在图1所示的砂箱的中心沿水平方向设置一根电加热器模拟线热源，并且在砂箱体制作过程中采用了类似夹心保温的结构型式处理砂箱周边以模拟绝热边界条件，此外，砂箱上设有固定水箱与移动水箱，以此来创造不同渗流速度所需的稳定压头。 1．2 地下水温控制系统由于在实验过程中需要模拟不同温度的地下水，为此试验台设有水温控制系统，该系统由热水箱、冷水箱以及冷水机组组成。热水箱中安装有3组电加热器，分别为lkW 两组、500W 一组，其中一组lkW加热器可调；由冷水机组制备的冷冻水，通过泵Ⅱ送人冷冻水箱，根据实验需要，通过调节冷、热水的混合比和微调电加热器的加热量以便精确调节砂箱的进水温度。 1．3 测温装置在实验过程中，为模拟土壤温度场分布、变化规律以及进出口水温的变化，需在土壤中以及水路进出口处设置测温装置。为减小温度测量误差，埋设于沙土中的测温元件采用复现性较好的Ptl00铂电阻温度计，精度为0．1℃，同时为减小连接导线电阻随温度变化对测量精度的影响及所选用温度显示终端的接线要求，Ptl00铂电阻温度计采用三线制接法。测点布置如图2所示，在竖直中间断面上从上到下布置9个间隔为70mm的Ptl00铂电阻温度计测点，在水平中间断面一侧布置4个间隔为80mm的Ptl00铂电阻温度计测点，水平断面仅布置一侧，主要是考虑温度场对称所以不需要两侧都布测点。此外，从上到下9个Ptl00铂电阻温度计测点中每两个测点中间又布置一个铜、康铜热电偶温度测点，并在水平布置的Ptl00铂电阻温度计测点中间也各布置一个铜、康铜热电偶温度测点，这样的布置方式既可以减小测点间距离，从而更好的描绘土壤温度场分布及变化，又可以间隔布置方式从而避免实验中某类温度计出现较大误差而影响实验结果。热电偶温度计配备WJK—E多路数据采集仪，可以实现数据打印或将数据直接传输到计算机中，为实验提供了方便。为测量砂箱进出水温度，在进出口位置分别安装玻璃水银温度计，人口水银温度计安装在如图1所示的16#温度测点，出口温度计位于回水箱处。温度计最小分度为0．1℃，量程为0—50℃。其中，人口处温度计安装时为减小测量误差，将温度计置于充满导热油的薄壁铜质套管中，并使套管中温度计的感温包位于管道的中心处，同时为减小套管外露部分对温度测量的影响，对套管的外露部分作保温绝热处理。实验中所用的测温元件都经过水浴标定，整个实验台外景如图3所示。 2 实验过程及数据分析在实验过程中，为对比分析无渗流情况下、饱和(土壤饱和但无地下水流动)情况下以及有渗流情况下地下埋管换热器的换热情况，对3种工况下的土壤温度场分别进行监测，并且在首先进行的无渗流工况实验过程中，为了数据可靠，在每种加热器功率(20、40、60、80W)情况下重复实验3次，以获得可靠的实验数据；此外，在土壤饱和情况下，也分别对4种加热器功率工况进行实验；在有渗流情况下分别针对不同的地下水流温度，即土壤初始温度、地下水流速度、加热器功率进行了实验。 2．1 三种土壤工况下温度场的实验结果分析 2．1．1 中心测点不同时刻温度的变化分析图4为加热器功率20W时，有渗流、无渗流及饱和土壤中中心测点6的温度变化曲线。在实验中，由于每种工况的测试时间根据加热器加热后波及到边界点且边界点温度都升高约0．5℃左右而定的，所以3种情况下的加热时间各不相同，例如，有渗流情况下的加热时间最短为8h；无渗流土壤中加热时间为9．5h；而饱和土壤中加热时间最长为l3．5h。从图4可知，在加热初期，温度变化都比较剧烈，但随着时间延长，温度变化逐渐平缓；无渗流情况与饱和情况下中心点初始温度较为接近，但从该图中可明显看出无渗流情况下土壤温度升高较快，在初始的7h内，无渗流土壤中中心测点6的温升率达到1．532~C／h；饱和土壤中测点6的温升率为0．893℃／h；而有渗流土壤中测点6的温升率仅为0．867cC／h。此后，虽然各种土壤中测点温升率都逐渐下降，但无渗流土壤中测点6的温升率仍然最高，为1．074~C／h；饱和土壤中测点温度变化最为缓慢，温升率为0．476℃／h；有渗流土壤中中心点温升率为0．721℃／h，超过了饱和土壤中测点温升率。温度的这种变化主要是由以下几点引起的： 1)土壤中水的比热容为3740 J／(kg·℃)左右，土壤的比热容为2291 J／(kg·℃)，因此饱和土壤和有渗流土壤的总热容都比无渗流土壤的总热容大，所以无渗流土壤中测点温度变化最快。 2)在饱和土壤中，起主导传热作用的为土壤及水中的热传导，而对有渗流土壤而言，起主导传热作用的是土壤及水的热传导以及水流动引起的对流换热。在加热开始后的一段时间内，由于有渗流土壤中水的对流换热增强了土壤的传热能力，因此加热器传给附近土壤区域的热量会迅速被带走。而饱和土壤中相对而言传热能力较弱，加热器传给周边土壤的热量会逐渐堆积，因此该段时间内有渗流土壤中心点温升没有饱和土壤中心点温升高；但随着加热时间的延长，当饱和土壤中加热器周边土壤的温度达到一定程度时，就会阻碍加热器继续向土壤中散热，而有渗流土壤中水的对流换热会使得加热器周边土壤温度没有迅速达到极限，而是逐渐缓慢升高，因此此时测点6的温升会逐渐高于饱和土壤中温升，正如上述数据所示。由此可知，当盘管埋在无渗流土壤中时，夏季空调工况下盘管向周围土壤排出的热量极易在盘管附近累积，长期运行后将会造成冷凝器冷凝温度逐渐升高、系统运行效率逐渐下降，因此土壤源热泵应用于夏热冬冷地区或夏季冷负荷偏大的地区时，在夏季要酌情考虑采用冷却塔与之混合应用的冷却塔一土壤源热泵系统形式；此外，若盘管埋在有渗流土壤中，此时土壤的传热能力最强，盘管放出的热量会很快被转移，而且较高的热容不会使得温升过快，比较有利于盘管长期运行，因此对于夏季冷负荷偏大地区土壤源热泵也宜埋在渗流速度大的地区。但若盘管埋在饱和土壤中，盘管周围的土壤虽然温升不是很快，但较大的热容与较弱的传热能力也极易使热量累积起来，因而也不利于盘管长期运行。 2．1．2 同一时刻不同测点温度变化分析本文选取上游、下游、中游的端部测点和中心测点，对其在同一时刻的温度变化进行分析，即图2中的5、3、13测点和6测点，各点温度的实验结果列入表2中，表中渗流速度单位为m／a。表2中0、2、5、8h分别表示初始时刻、第2小时时刻、第5小时以及第8小时时刻，每一时刻对应的温差为上、下、中游测点与中心测点的温差，因为加热时中心点温度最高，所以温差值都为负值。对于无渗流土壤而言，加热8h后上、下游测点的温升率都为0．162~C／h，而中游端部测点l3的温升率为O．099~C／h，略低于上、下游端点的温升率，其原因为：布置测点时横向铂电阻测点的间距为80nma，而纵向铂电阻测点的间距为70mm，因此l3测点距中心测点6距离为240mm，而5、3测点距中心测点6距离为210mm，二者相差30ram。因此可以说实验结果表现出无渗流土壤中盘管截面土壤的温度场近于圆形分布。表2 三种情况下端部及中心测点温度饱和土壤中测点温度变化与无渗流土壤类似，上、下游测点5、3的温升率分别为0．075、0．076℃／h，中游测点l3的温升率为0．067℃／h，低于5、3测点的温升率，其原因亦如上所述；但同时我们发现，饱和土壤中上、下游测点的温升率比无渗流土壤中该两测点的温升率小了0．087℃／h，仅占后者的53．63％，其原因为： 1)饱和土壤的总热容高于无渗流土壤的热容，因此在土壤吸收同样热量的情况下，饱和土壤的温升要小于无渗流土壤的温升； 2)无渗流土壤中起主导传热作用的为土壤的热传导，土壤的导热系数约为1．5 W／(m·K)；而饱和土壤中的传热机制则主要为土壤与水的热传导以及水的自然对流，而其中土壤与水的热传导更起主导作用，但是由于水的导热系数远远小于土壤的导热系数(约为0．55 W／(m·K))，因此饱和土壤传热能力最弱，同样条件下将加热器的热量传到边界所需的时间最长，这样会引起中心点与其它点之间的温差加大，但是实验结果仍是其温差比无渗流时要小，这充分说明饱和土壤总热容较大是饱和土壤测点温升率低于无渗流土壤中测点温升率的根本原因。从表2中还可看出：有渗流土壤中下游测点3的温度变化最为显著，加热8h后温升率达到0．187℃／h；中游测点l3的温度变化次之，温升率为0．087℃／h；而上游测点5的温度变化最为缓慢，温升率仅为0．037℃／h。由此可明显看出水自上而下流动将热量都转移到砂箱下部，由此也可以看出盘管截面土壤温度场的变形情况。同样从表2可知，加热2h时，无渗流土壤中上、中、下游测点5、13、3的温度与中心测点6的温差分别为一6．413、一6．571、一6．704℃ ；饱和土壤中上、中、下游测点5、13、3的温度与中心测点6的温差分别为一4．216、一4．176、一4．006℃ ；而当地下水渗流速度达到250rrda时，上、中、下游测点5、13、3的温度与中心测点6的温差分别为一4．086、一4．145、一3．979℃ 。由此可见，加热2h后无渗流土壤中端部测点与加热器处中心测点的温差已经达到一6．5℃左右，其绝对值远高于其它两种情况下的温差绝对值，这恰恰说明了无渗流土壤中地下埋管散出的热量在土壤中分配的均匀性差，使热量累积在埋管附近的情况比较严重，不利于夏季热泵机组的运行。这一结论从加热器运行5h以及8h时的数据同样可以看出。因此，对于夏季负荷偏大地区应用土壤源热泵时，不宜将其单独置于无渗流土壤或饱和土壤中长期运行，宜将地下埋管换热器埋设在地下水流速较大的土壤区域，地下水流动引起的对流换热极大的增强了盘管周围土壤转移热量(冷量)的能力，减轻了能量累积效应，方可避免土壤源热泵长期运行出现出力不足现象。 2．2 有渗流土壤中各主要因素对温度场影响在有地下水流动的土壤中，地下水流速、地下水温度(即土壤初温)以及地下埋管的设计容量都对周围土壤温度场有较大影响，下面将根据实验结果进一步分析各因素的影响程度。 2．2．1 地下水流速对土壤温度场的影响图5为加热器功率40W情况下不同地下水流速时土壤内各测点的温度变化曲线，图5a～图5e分别为自上至下排列的测点4、6、9、11、3的温度曲线。从该图可知，测点位置不同、地下水流速的影响也不同。由图5a可知，地下水流速越大，测点4的温升越慢。当地下水流速从250m／a上升到1000m／a时，测点4的温升率从0．681℃／h降到0．316℃／h。这是因为地下水流速越大，其带人下游的热量越多，从而小渗流速度时测点4的温度比同一时刻下大渗流速度的温度要高。由图5b可知，加热初期地下水流速对该点温度影响较小，到加热中后期，水流速度的影响逐渐明晰，同样也是地下水流速越大、中心测点6的温升越慢，当水流速度从250m／a上升到1000m／a时，测点6的温升率从1．387℃／h降到1．111℃／h。图5e为测点9的温度变化曲线。在加热开始后，4种水流速度情况下测点9温度都逐渐上升，且水流速度越大、测点温升越大，这是因为地下水流速越大，由地下水带人测点9附近的热量越多，使测点9温度升高得越快。例如，当测点9温度升至21℃，水流速度为1000m／a时需要3．25h，而水流速度为250m／a时则需要5．15h。但随着测点9温度的升高，地下水传递给测点9区域土壤的热量也逐渐减少，因此在加热7h后，水流速度250m／a与水流速度1000m／a两种情况下测点9温度都达到22．469℃，此后，水流速度1000m／a时的测点变化更为缓慢，测点9温度逐渐达到一个平衡态；但对于水流速度较小情况而言，测点9温度变化相对缓慢，而且由于水流速度较小使得此时的平衡态温度相对较高，因此要达到平衡态所需的时间也较长。图5d为测点11的温度变化曲线，该测点位于9测点之下。由图可知，水流速度越大，测点1l的温度越高，图5e的情况与此相同，即随着水流速度增加，测点3的温度越高，但由于8h的加热时间不足以使该两点达到平衡，因此图5d、图5e上的温度曲线一直处于上升趋势。由此可知，水流速度越大，盘管上游区域的土壤受盘管放热的影响越小，而下游区域的土壤受盘管放热的影响越大，从而使越大范围的土壤容纳盘管的放热量，这更有利于埋管放热。因此，将地下埋管换热器埋设于水流速度大的区域较有利于提高热泵系统的运行效率。 2．2．2 地下水温度对土壤温度场的影响图6是在加热器功率20W、水流速度250m／a时不同水流温度(或土壤初温)情况下上、中、下游测点4、6、9的温度变化曲线图。由图可知，不同的水流温度对3个测点的影响规律基本一致，即水流温度越高、测点温度越高，且在每种水流温度情况下测点的温度变化曲线极为相似。因此，对于夏热冬冷地区或亚热带地区，该地区夏季的地下水温度(或土壤初温)比北方地区地下水温度(或土壤初温)要高，因此夏季向地下释放相同的热量时，其土壤温度值远高于北方地区的土壤温度值，就会造成该地区系统的冷凝温度比北方地区高得多，从而降低系统的运行效率，甚至会造成系统无法运行。 2．2．3加热器功率对土壤温度场的影响图7为上、中、下游测点4、6、9在不同加热器功率情况下的温度曲线，其中水流速度为250m／a、初温为18．5℃。由图可知，加热器功率越大各测点的温度越高而且温升率也越大，对于测点4，当加热器功率从20W上升到80W时，4测点温升率从0．325℃／h升高到1．414℃／h；而对于中心测点6，当加热器功率从20w上升到80W时，6测点温升率从0．721℃／h升高到2．858℃／h，同样情况下下游测点9的温升率从0．493℃／h升高到1．851℃／h。因此对于夏季冷负荷较大地区而言，土壤源热泵地下埋管的夏季热负荷(制冷工况下的冷凝热)也较大，这样使得在相同运行时刻时其土壤温度值很高，随之而来的冷凝温度的升高会使土壤源热泵运行时的性能系数大大降低，尤其是长期运行更是如此，因此在实际应用中要考虑采用冷却塔一地源热泵的混合系统形式或尽量将盘管埋在地下水流速较大的区域或加大地下埋管的面积，否则难以保证系统正常运行。 3 结论对埋设线加热器的砂箱进行无渗流土壤、饱和土壤以及有渗流土壤的实验结果表明： 1)地下水渗流对土壤温度场影响较大，因此在应用土壤源热泵时，土壤中是否有地下水渗流存在应予以考虑，本文中有无地下水渗流时土壤中心测点温升率分别为0．721℃／h和1．074℃／h，与前者相比后者增加了48．96％； 2)地下水渗流速度越大，地埋管区域土壤温度场进入平衡态的时间越短，且土壤温升率越低；土壤初温(或地下水温度)对土壤温度场的变化规律没有影响，仅是较高的初温使得运行后的土壤温度也较高。因此，在进行土壤源热泵设计时应考虑土壤中是否有地下水渗流存在；地下水渗流极大的增强了盘管周围土壤转移热量(冷量)的能力，减轻了能量累积效应，避免了土壤源热泵长期运行出现出力不足现象，因此，地下埋管应尽量选择埋设在地下水流速较大的地区。

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