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        不同供水溫度下地源熱泵群孔換熱性能的試驗研究

        2018-01-26 05:35:09李雷雷王小清王其昌
        流體機械 2017年10期
        關(guān)鍵詞:土壤溫度支路源熱泵

        李雷雷,寇 利,王小清,王其昌

        (上海市地礦工程勘察院,上海 200072)

        1 前言

        地源熱泵技術(shù)是一種可再生供能技術(shù),主要利用深埋于地下的埋管與其周圍土壤進行熱交換,夏季向土壤排熱,冬季向土壤吸熱,全年循環(huán)達到可再生的目的[1,2]。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)因具有高效節(jié)能、環(huán)境效益好、穩(wěn)定性好、可靠性高、占地面積少等顯著優(yōu)點而越來越備受關(guān)注,其應用前景相當廣闊[3,4]。目前,地源熱泵豎直地埋管系統(tǒng)大多采用U型埋管換熱器,其換熱性能的好壞直接影響到熱泵系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性,許多專家學者對其進行試驗和模擬研究[5~11],但這些試驗模擬研究均是在單孔基礎上進行的;戰(zhàn)國會對群孔長期換熱建立了有限長體熱源模型[12],對群孔系統(tǒng)長期運行后的溫度場進行模擬研究,但未對群孔換熱性能進行探究;實際工程中,夏季室外溫度變化使建筑總冷負荷變化,進而引起地源熱泵系統(tǒng)地埋管側(cè)供水溫度改變,供水溫度變化會對地下?lián)Q熱器的換熱能力產(chǎn)生一定影響。

        本文主要以地源熱泵群孔豎直地埋管為研究對象,在群孔循環(huán)總流量恒定,供水溫度不同條件下,分別對單、雙U豎直埋管群孔換熱性能進行試驗研究,探究不同供水溫度對群孔地埋管換熱能力的影響,為工程設計提供參考依據(jù)。

        2 試驗系統(tǒng)

        2.1 試驗場地

        本試驗是對上海青浦某科學實驗場內(nèi)的3個雙U支路和3個單U支路進行現(xiàn)場測試,每個支路均由8個換熱孔,每個孔深均120 m,孔間距均為4.5 m×4.5 m,雙U埋管材料為PE100DE25*2.3,單U埋管材料為PE100DE32*3.0,單、雙U回填料均由膨潤土、水泥、黃砂按照2∶2∶1比例配比而成,具體測試支路位置分布見圖1。

        圖1 測試支路位置分布示意

        2.2 測試設備

        測試設備采用DRGS-48型地埋管地源熱泵群孔換熱性能測試儀,該測試儀采用PLC智能控制系統(tǒng),既可以遠程控制設備測試參數(shù)(進出口水溫、壓力、系統(tǒng)流量等),也可以通過觸摸屏來設定測試參數(shù),研發(fā)過程中經(jīng)過多次調(diào)試、校驗,最終使誤差控制在2%以內(nèi)。

        地埋管地源熱泵群孔換熱性能測試儀的測試原理如圖2所示。

        圖2 測試原理示意

        將測試儀的水路循環(huán)部分與所要測試地埋換熱管回路相連接,形成閉式環(huán)路,通過循環(huán)水泵驅(qū)動流體在整個回路中循環(huán)流動,夏季模擬熱泵機組內(nèi)冷凝器散發(fā)出的熱量傳遞給流體,流經(jīng)地下埋管回路與土壤進行換熱,通過測得的換熱功率來評估所測群孔的換熱能力。

        3 試驗方案

        在2016年8,9,10月份對青浦某科學實驗場的6個支路分別進行測試,為了保證試驗的準確性和客觀性,測試過程中每個支路進行重復測試,并且取3個雙U支路的平均值和3個單U支路的平均值作為最終數(shù)據(jù)進行處理。

        每個支路的測試采用恒溫法,即給定流量和供水溫度,測試回水的溫度和換熱功率;試驗測試有4組工況:供水溫度分別為30,33,37和40 ℃,流量均為8 m3/h條件下連續(xù)測試24 h,對所測得的回水溫度和換熱功率進行對比分析。

        4 試驗結(jié)果及分析

        試驗過程中,所測支路的地埋管供、回水溫度、流量、換熱量的數(shù)據(jù)每10 s記錄一次,連續(xù)運行24 h,剔除測試儀剛開始運行時的不穩(wěn)定數(shù)據(jù)之后進行處理。

        圖3為單U埋管形式,循環(huán)流量均為8 m3/h,供水溫度為30,33,37和40 ℃條件下4組工況的換熱功率和回水溫度的變化曲線。從圖中可以看出,支路的流量和供水溫度恒定時,其換熱功率隨著測試時間的延長而逐漸衰減,且剛開始時衰減較快,逐漸趨于穩(wěn)定,因為剛開始測試的一段時間,地埋管周圍土壤溫度和設定供水溫度的溫差大,換熱快。隨著換熱進行,地埋管周圍土壤溫度逐漸升高,溫差變小,換熱速率減小,此時,地埋管周圍土壤溫度略高于距地埋管稍遠處土壤溫度,進而把熱量傳遞過去,使地埋管外壁和周圍土壤的換熱形成一個動態(tài)的平衡狀態(tài),如果連續(xù)幾周或幾個月?lián)Q熱量超過地埋管周圍土壤的熱承載力,就會引起該區(qū)域土壤溫度升高,破壞土壤的生態(tài)環(huán)境,這也是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)地下?lián)Q熱器設計時要根據(jù)全年周期,保證土壤換熱處在動態(tài)熱平衡狀態(tài)的原因。

        圖3 單U埋管形式下,支路換熱功率和回水溫度的變化曲線

        另外,不同供水溫度下,換熱功率和回水溫度變化趨勢一致;測試時間相同,供水溫度越高,支路的換熱功率越大。

        圖4為不同供水溫度下,單、雙U埋管換熱功率對比曲線。從圖中可以看出,隨著換熱時間延長,不同溫度下,單、雙U支路換熱功率均呈現(xiàn)衰減趨勢;對比圖4(a)、(b)可以看出,同樣供水溫度下,由于DN25雙U管比DN32單U管外表面積大,即埋管與周圍土壤間的換熱面積大,因此,在其他條件相同的情況下,雙U比單U埋管形式換熱功率大;另外,供水溫度為30 ℃時,單、雙換熱功率差值相比33,37和40 ℃時偏小,是因為隨著供水溫度升高,埋管周圍土壤的溫度也升高,影響了埋管外壁與土壤間的換熱系數(shù),而雙U管的換熱面積大在相同時間內(nèi),其管壁周圍土壤溫度變化大導致其換熱系數(shù)變化明顯,進而影響換熱功率較明顯。

        圖4 不同供水溫度下,單、雙U埋管換熱功率曲線

        為了進一步定量分析不同運行工況下?lián)Q熱量隨換熱時間的增長而減小的大小,分別對單、雙U埋管形式在不同運行工況下的換熱功率隨時間的變化曲線進行擬合。對圖4中單、雙U支路換熱功率曲線進行擬合,擬合曲線與實測曲線十分吻合,且擬合公式為對數(shù)函數(shù),表明地源熱泵豎直地埋管與土壤間的換熱規(guī)律呈對數(shù)函數(shù)形式變化。

        根據(jù)擬合公式定量計算其換熱功率隨時間減小的百分量,換熱功率減小百分量ηh定義為某一時刻的換熱功率w0與上一時刻的換熱功率w1之差占上一時刻的換熱功率w1的百分比,其公式為:

        根據(jù)圖4中的擬合公式分別計算不同工況下?lián)Q熱9,10,11,12和20 h的ηh。圖5所示為不同工況下?lián)Q熱功率隨換熱時間增長而減少的百分量柱狀圖,從圖中可以看出,換熱9 h時不同工況ηh大小不一樣,但均在3.1%以內(nèi),換熱12時后不同工況的ηh均在2.1%以內(nèi),換熱20 h時不同工況的ηh均在0.9%以內(nèi),因此,測試20 h后換熱功率的減小量可忽略,可認為此時的換熱功率為該支路的實際換熱能力值。

        圖5 不同工況下?lián)Q熱功率隨運行時間增長而減少的百分比

        表1為群孔循環(huán)流量為8 m3/h,換熱20 h時不同工況下的換熱功率值,該值可以為地源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)的工程設計提供參考依據(jù);另外,對表格中數(shù)據(jù)進行分析可得出,供水溫度每增加1 ℃,單U換熱功率平均增加2.47 kW,雙U換熱功率平均增加3.06 kW。

        表1 流量8 m3/h換熱20 h時不同工況下的換熱功率值

        5 結(jié)論

        (1)當供水溫度恒定時,其換熱功率隨著換熱時間的延長而逐漸衰減,且剛開始時衰減較快,逐漸趨于穩(wěn)定。

        (2)不同供水溫度下,單、雙U埋管形式與土壤間的換熱功率變化趨勢一致,且呈對數(shù)函數(shù)形式變化。

        (3)隨著供水溫度升高,雙U比單U埋管形式換熱功率大,且供水溫度每增加1 ℃,單U換熱功率平均增加2.47 kW,雙U換熱功率平均增加3.06 kW。

        (4)連續(xù)換熱20 h后的換熱功率值可作為群孔實際換熱能力值,該值可以為地源熱泵地埋管系統(tǒng)的工程設計提供參考依據(jù)。

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