详解地源热泵的套管式地下换热器

地源热泵以大地作为热源和热汇,热泵的换热器埋入地下,与大地进行冷热交换。由于地源热泵具有可持续发展性,国内外近年来正在加强对它的系统研究。

埋入地下孔洞中的换热管一进一回形成回路与大地进行换热。长江流域大部分地区年平均温度维持在十几度,通常冷凝器的夏季出水温度在35~45℃之间,与岩土换热温差可达20~30℃。有利于提高制冷系数,而且不会把热量、水蒸汽及细菌等排入大气环境,造成对环境的损害。冬季运行时,冷凝器变为蒸发器,进行地下换热后蒸发器进水温度远高于室外气温,可显著提高供热系数,不存在气源热泵随气温下降而显著减少及冲霜等问题。地源热泵在冬季从岩土中吸热,夏季向岩土放热,这样冬夏季循环使用,形成了绿色空调。

1线热源模型

地源热泵研究核心之一是要解决地源———地下换热器的换热问题。地下换热器可模拟为线热源,线热源模型对于解决地下换热器的换热问题是一种比较实用且简化的方法。

将地下换热器模拟为线热源后,地下换热器的换热简化为以换热器中心轴为热源,以该轴为中心呈辐射状向周围传热。由于线热源只有长度量,无面积量,而距线热源不同距离的各个传热面的面积在变化,因此通常以单位传热面积为基础定义的传热系数分析使用不方便。另一方面,在实际运用过程中,总换热量主要取决于换热器的长度。在造价上,地下换热器部分的成本也主要在于钻孔深度,而换热器本身的成本仅占很少一部分。为了对不同形式的换热器进行比较,引入一个新的概念———平均传热系数,定义为换热器内介质与大地初始温度每相差1℃时,通过长度1米的孔洞,每秒钟可传递的热量。

2实验系统

从加热水箱出来的水经过玻璃转子流量计后,进入地下换热器,经过换热器换热后,直接排放。换热器进出口水温由水银温度计测量,加热水箱的水由加热器加热,水温控制由温控器执行。地温和换热器管壁温度由7V08数字采集仪获得,空气温度由水银温度计和7V08数字采集仪共同取得。三个孔洞的实验共用一个系统,一号孔和二号孔分别为埋设U型换热器,孔洞回灌介质不同,三号孔埋设套管式地下换热器,即在大管中套一小管,进水从大管的一侧进入,主要通过大管管壁与大地换热,换热后的水在大管底部经过小管引出地面。在套管式换热器中同时还安装有一个U型换热器。在系统运行前,我们对大地原始温度即初始温度进行了2个多月的长期监测,根据监测结果,在以后的实验数据分析中取大地初始温度为16℃。

3套管与U型管式地下换热器的对比实验

对比不同换热器换热能力时是以同一孔径作为前提的。其对比的热工参数主要为热阻,在地下换热器的传热地程中存在6个阶段对应6个热阻。

换热过程的6个阶段如下:第一阶段,换热器管内的对流换热过程;第二阶段,换热器管壁的导热过程;第三阶段,换热器外管壁与回填物之间的传热过程;第四阶段,回填物内部的导热过程;第五阶段,回填物与管孔洞壁之间的传热过程;第六阶段,孔洞周围即大地的不稳定导热过程。对应六个热阻为:R1-对流换热热阻;R2-导热热阻;R3-接触热阻;R4-导热热阻;R5-接触热阻;R6-导热热阻;注意:这里的热阻对应于前面定义的平均传热系数,几何参数不是面积,而是每米孔洞。

根据设定换热条件可计算得U型管内水速为接近0.04m/s,套管过流断面为U型管的20倍,流速更小,在这种小流速下,我们可认为其对流换热系数近似相同。因此,两者热阻的差异主要在于R1、R3、R4,而R1、R3大小决定于面积,显然,U型管的R1、R3大于套管,而R4主要决定于回填物的断面积,由于套管式换热器管径比U型管换热器大,在相同孔洞中的情况下,显然,U型管的回填物的热阻大,因此,理论上U型管总热阻大于套管式。

在本实验中孔洞直径为110mm;U型管直径为25mm;套管的大管直径为90mm。我们进行了U型管和套管式换热器的对比实验,实验结果与理论结果一致。

平均传热系数开始随运行时间下降,经过一段时间后到达一个稳定值。下降过程可分为两个阶段:第一阶段是进水与实验前换热器中温度与地温一致的水混合,这使出水温度偏低;第二阶段是换热使管外岩土温度逐渐升高,经过一段时间后趋于稳定。对于U型管换热器,约25小时后趋于稳定,稳定后的K值为2.4W/m·℃,而套管式换热器6小时后趋于稳定,稳定后的K值为2.8W/m·℃,可见套管式换热器的换热性能高于U型管换热器。因此,推荐套管式地下换热器。

4运行时间和流量对平均传热系数的影响

根据我们的前期研究工作,住宅空调的最长连续运行时间为18天。为此进行18天的连续试验。控制地下换热器进水温度即冷凝器出水温度在37℃左右。从连续18天的运行情况看,运行6小时后趋于稳定。实验数据整理为回归方程。

另外作了实验研究流量变化对平均传热系数的影响。流量变化范围为40~100L/h。

5结论

本文根据线热源模型,提出了平均传热系数的概念,理论上对比分析了U型管式与套管式地下换热器的传热热阻。揭示出套管式热阻比U型管式小,然后通过套管式与U型管式地下换热器的对比实验,验证了上述结论。对套管式换热器进行了连续18天的运行实验。实验结果表明换热器在最初6小时内明显属于不稳定换热状况,平均传热系数K随运行时间下降,6小时后趋于稳定,此段时间内可以近似为稳定传热,在实际工程运用中,可以利用这一规律。K的稳定值是2.8w/m·℃。流量变化对K有一定影响。另外,由于在不稳定换热状况中平均传热系数K较大,那么,对于初始负荷较大的情况下,地下换热器有良好的适应性。

U型管与套管式换热器换热过程均存在“热短路”,即进水的热量传给出水。进出口附近温度相差最大,热短路最严重。如何降低热短路,是以后研究的重点之一。另一方面,在热阻分析过程中我们看到,降低接触热阻,增加回填物的传热性能,也都是需要研究的强化传热的措施。