垂直地埋管換熱器的換熱性能

                                 孔華彪，廖勝明，劉越

                             （中南大學，湖南長沙410075）

    摘要：為研究土壤源熱泵垂直地埋管換熱器的換熱特性，對長沙地區一套土壤源熱泵系統進行了夏季及冬季工況連續運行的實驗，實時采集U型管進出口的水溫、流量以及地溫等數據。通過對所采集的實驗數據進行處理分析，對比了不同工況、不同埋管形式、不同埋深條件下的地埋管換熱器進出口溫差及單位井深換熱量，結果表明，無論是夏季工況還是冬季工況，雙U型管的單位井深換熱量比單U型管高25%～30%。

    關鍵詞：U型管換熱器；進出口水溫；換熱能力

    中圖分類號：TK523文獻標志碼：B文章編號：1671-5292（2010）06-0133-04

    0·引言

    土壤源熱泵系統即地下耦合地源熱泵系統，是利用土壤作為熱源或熱匯，通過循環液(水或以水為主要成分的防凍液)在封閉地下埋管中流動，實現系統與大地之間的傳熱[1]。長期以來，U型地埋管換熱器一直作為地源熱泵設計及施工的難點。近年來，國內外許多學者對U型管換熱器的換熱特性進行了大量的實驗研究。ArifHepbasli通過對單U地埋管的運行特性實驗，測量了冬季運行期間地埋管的進出口水溫，計算了機組的性能系數COP，并提出了對于特定的制熱量存在一個最佳循環水流量的結論[2]；KyoungbinLim對垂直地埋管換熱器進行了熱反應實驗，測試了地埋管在鉆孔內的換熱表現，驗證了地下水流動、環境溫度、埋深對換熱性能的影響[3]；LZhao通過實驗分析了壓縮機工作頻率、冷卻水流量與機組性能系數COP之間的關系，認為當冷卻水流量小于0.114 kg/s時,可以通過減小壓縮機功率的辦法提高機組的性能系數COP，并指出了在特定頻率下工作的壓縮機，存在使機組性能系數COP達到最大的最優冷卻水流速[4]；李新國對不同類型的地埋管換熱器的測試結果表明，同樣埋管形式的樁基地埋管換熱器單位井深換熱量是鉆井地埋管換熱器的1.5倍[5]。

    由于各地區氣候地質差異較大，大部分研究還只是局限于某些特定地區，因此有必要在一些適合推廣這項熱泵技術的地區，特別是夏熱冬冷、冷熱負荷相當的地區進行相關的實驗研究，為地源熱泵的設計、施工提供更多試驗數據。本文通過對中南大學一套實驗用地源熱泵系統的冬、夏季運行工況的實測數據，重點對比了不同工況、不同埋管形式、不同埋深條件下地埋管換熱器的換熱性能，以期為長沙及周邊地區的地源熱泵的應用設計提供依據。

    1·實驗系統

    實驗系統位于中南大學第二綜合實驗樓，主要包括室外地下換熱器部分、熱泵機組和末端風機盤管。地下部分包括1號（單U）、2號（單U）、3號（雙井）3個直徑為150 mm，井間距為7 m的豎井，3個井的埋深分別為77，43，43 m；地埋管換熱器選用DN25的PE100管，傳熱介質為水；熱泵機組選用一臺額定制冷量為10.4 kW，額定制熱量為15.7 kW的冷熱水型水源熱泵機組；在1，2，3號井的進出口、熱泵機組總冷卻水的進出口、總冷凍水的進出口和1號井60 m埋深處的盲管內，共布置11個PT100溫度傳感器，將11組信號接入巡檢儀，每分鐘采集6個數據，使用LabVIEW軟件編寫的程序進行溫度信號的采集記錄。

    2·實驗結果及處理方法

    夏季工況實驗從2009年5月22日開始，連續運行53 h；冬季工況實驗從2009年12月21日開始，連續運行48 h。在機組運行前，先對地溫進行測試。實驗期間采集各井的循環水進出口水溫、機組進出冷凍水溫、冷卻水溫和地溫；在機組基本達到穩定運行時，記錄流量；在機組運行穩定階段，記錄機組的功率和水泵功率（表1）。

               

    式中：QOC為夏季工況機組制冷量，kW；QOH為冬季工況機組制熱量，kW；COPC為夏季工況下機組性能系數；COPH為冬季工況下機組性能系數；W為熱泵機組壓縮機功率，kW;C為循環水的比熱，J/（kg·K）;m為循環水的質量流量，kg/h;ΔT為機組進出口冷凍水的溫差，K。

    單位井深換熱量計算：

            

    式中：qLC為夏季工況下單位井深換熱量，kW；qLH為冬季工況下單位井深換熱量，kW；L為井深，m。

    3·實驗結果分析

    3.1系統運行情況分析

    由1號井60 m埋深處的盲管內的溫度傳感器測得地溫。由機組進出口水溫及地溫圖（圖1，2）可知，地下60 m深處的土壤溫度基本不受地面溫度影響而保持在20℃左右，地溫及進出水溫度初期變化很快，隨后漸趨穩定。這是因為土壤的導熱系數比水的導熱系數小，在熱泵機組啟動階段，熱量（冷量）會堆積在埋管換熱器周圍，使U型管周圍的土壤溫度急劇上升（下降）,傳熱效果下降，使出口水溫逐漸升高（降低）。由于夏季（冬季）機組效率隨著埋管內循環水溫度的升高（降低）而減少，故機組的運行效率會隨之降低。隨后,換熱器與土壤之間的換熱逐漸趨于穩定，熱量（冷量）沿著半徑方向逐漸往外擴散，出口水溫的變化也趨于平緩,系統進入準穩定階段。如果以地溫平穩作為系統穩定的標志，穩定時間在40 h左右。

             

    在夏季工況，當機組運行達到穩定時，冷凍水的進水水溫在11.6℃左右，出水溫度在7.5℃左右，進出水溫差穩定在4.1℃，流量為0.564 kg/s，制冷量為9 710 W，壓縮機制冷性能系數COP為3.20。冬季工況下，負荷側水的進水水溫大致穩定在43.3℃左右，出水溫度為39℃左右，進出水溫差穩定在4.3℃，流量為0.561 kg/s。同理，可得制熱量為9 539 W，壓縮機制熱性能系數為3.13。冬季的COP值跟夏季有一定的差距，主要是由于機組在冬季工況運行時，冷卻水進回水溫度偏高，導致冷凝溫度過高，因此COP值偏低；另外，可以看到冬季的循環水進水溫度偏高，約為7.2℃，導致流體與土壤間的溫差偏小，能換出的熱量也就比較少，使進出水溫差偏小。所以冬季運行應適當減小進水溫度，但進水溫度也不宜過低，否則蒸發溫度過低，系統運行效率降低。由此可見，機組的運行性能系數在一定程度上受外界環境溫度的影響。依據地源熱泵的特性可以看出，該空調方式更適合夏熱冬冷地區的使用。

    3.2冬夏季運行對比分析

    由1號井進出水溫變化圖（圖3,4）可知：夏季工況下，1號井的進出口溫差約為9.1℃，平穩運行時測得流量為0.57 m3/h，單位井深換熱量為78.59 W/m；冬季工況下，進出口溫差約為4.2℃，平穩運行時測得流量為0.74 m3/h，單位井深換熱量47.09 W/m。

              

    為定量評價鉆井的導熱能力，定義鉆孔平均導熱系數kb為埋管內循環水平均溫度與土壤無限遠處溫度相差1℃時,單位時間內通過單位井深所傳遞的熱量，直接反映了埋管鉆孔與周圍土壤間的傳熱特性[6]。

              

    式中：tf為U形埋管鉆孔內循環水進出口溫度的平均值，℃；ts為無限遠處的土壤溫度，℃。通過計算顯示，kbc，kbh分別為4.50 W/（m·k），4.14 W/（m·k），夏季工況鉆井單位溫差的換熱性能與冬季工況并沒有太大差別。由此可見，冬夏換熱能力的差距主要是由埋管內循環水與土壤之間溫度差的不同引起的。根據實驗測量，長沙地區土壤恒溫層溫度約為20℃，冬季循環水平均溫度與土壤溫度差約為11.4℃，夏季為17.45℃，當流量變化不大的情況下，勢必造成冬季換熱量遠小于夏季。

    3.3單U管不同埋深換熱性能對比分析

    對比1號井與2號井的冬夏兩季表現可見，同為單U管，由于埋深的不同，埋深大的1號井進出口溫差比2號井進出口溫差大很多，這是由于隨著埋深增加，地下換熱器與土壤接觸面積增大，管內流體停留時間相對增長，從而可以換出更多的熱量。另外可以看到，兩井單位井深換熱量的差距并不大，1號井略小于2號井。從這方面說，2號井的換熱性能優于1號井，這主要是因為1號井U型管內的水流量要小于2號井。

    3.4單U管與雙U管的對比分析

    圖5～8為2，3號井夏冬兩季的進出口水溫變化圖。

             

             

    夏季工況下：當機組運行穩定時，2號井的進水溫度為41.9℃，出水溫度為37.2℃，進出口溫差為4.7℃；3號井的進水溫度為41.9℃，出水溫度為37.6℃，進出口溫差為4.3℃。冬季工況下：2號井的進水溫度為7.2℃，出水溫度為9.4℃，進出口溫差為2.2℃；3號井的進水溫度為7.2℃，出水溫度為9℃，進出口溫差為1.8℃。由式（3）得到的各井冬夏兩季單位井深換熱量列于表2。

             

    在冬夏季的兩種工況下，單U管的進出水溫差都要比雙U管大，從這一角度講，井深一定時，單U管的換熱性能要好于雙U管。由冬夏兩季各井單位換熱量可以看出，制冷/制熱工況下雙U管單位井深換熱量均大于單U管，這是由于雙U管的循環水流量大于單U管，換熱面積理論上也是單U管的兩倍。但是，雙U埋管的單位井深換熱量并不是單U埋管的兩倍，主要是因為鉆井直徑較小，每個埋管井都會在進、回水管間出現程度不同的“熱橋”現象，而雙U埋管的“熱橋”損失要比單U埋管嚴重。

    經計算qL3C/qL2C=107.67/84.16=1.30，qL3H/qL2H=64.5/51.33=1.26，即在同一系統中，使用雙U管的單位井深換熱量比單U管高25%～30%。

    4·結論

    （1）分別對長沙地區的一套實驗用土壤源

    熱泵系統進行了夏、冬兩季工況的連續運行測試，對比了冬、夏工況下，不同埋深的單U、雙U地埋管換熱器的換熱性能。

    （2）實驗模擬得出，達到土壤溫度穩定約需40 h；實驗穩定時，冬夏兩季循環水進/出口溫度分別是7.2℃/10℃與41.8℃/36.6℃；并計算出機組冬夏工況壓縮機的性能系數；對比了同一鉆井冬夏工況的換熱情況顯示，地埋管的換熱性能夏季好于冬季。

    （3）由各井的單位井深換熱量的計算結果可知，雙U埋管的單位換熱能力約為單U埋管的1.25倍；不同井深的單U埋管單位換熱能力基本相同，單井總換熱量隨著井深增加而增加。

    參考文獻：略