地埋管換熱器連續(xù)與間歇運(yùn)行對換熱能力影響

摘 要

摘　要：針對夏季工況，對地埋管換熱器連續(xù)運(yùn)行工況、間歇運(yùn)行工況下的換熱能力進(jìn)行了實驗研究。關(guān)鍵詞：地埋管地源熱泵 地埋管換熱器 連續(xù)運(yùn)行 間歇運(yùn)行 換熱能力Influence

摘　要：針對夏季工況，對地埋管換熱器連續(xù)運(yùn)行工況、間歇運(yùn)行工況下的換熱能力進(jìn)行了實驗研究。

關(guān)鍵詞：地埋管地源熱泵  地埋管換熱器  連續(xù)運(yùn)行  間歇運(yùn)行  換熱能力

Influence of Continuous and Intermittent Operation of Buried Tube Heat Exchanger on Its Heat Exchange Capability

Abstract：In view of the working eondition in summer，the experimental research on heat exehange capacity of buried tube heat exchanger under conditions of continuous operation and intermittent operation was eonducted

Keywords：buried tube ground source heat pump；buried tube heat exchanger；continuous operation；intermittent operation；heat exchange capacity

 

1　概述

近年來，地源熱泵在居住建筑、公共建筑中均得到了廣泛應(yīng)用，其中地埋管地源熱泵(土壤源熱泵)占地源熱泵應(yīng)用比例的32％[1]。由于土壤溫度全年相對穩(wěn)定，地埋管地源熱泵的季節(jié)性能系數(shù)具有恒溫?zé)嵩礋岜玫奶匦?/font>[2]，節(jié)能效果明顯。對于重慶地區(qū)大多數(shù)建筑，夏季冷負(fù)荷往往高于冬季熱負(fù)荷，因此地埋管地源熱泵冬夏兼用時，夏季向地下釋放的熱量大于冬季從地下吸收的熱量。隨著地埋管地源熱泵長時間運(yùn)行，熱量在土壤中的累積易使土壤溫度升高，從而影響地埋管地源熱泵夏季運(yùn)行效率。

因此，在地埋管地源熱泵的設(shè)計和運(yùn)行中，應(yīng)保持夏季向土壤釋放的熱量與冬季從土壤吸收的熱量基本相等，否則易導(dǎo)致地埋管地源熱泵性能下降，甚至失效[3]。冷卻塔復(fù)合地埋管地源熱泵是將地埋管地源熱泵與冷卻塔相結(jié)合，由冷卻塔分擔(dān)夏季工況中部分冷卻水負(fù)荷，使地埋管地源熱泵全年向土壤的釋熱量與吸熱量基本相等[4]。還可實現(xiàn)地埋管換熱器的間歇運(yùn)行，在冷卻塔運(yùn)行階段使土壤溫度得到恢復(fù)，以改善熱泵機(jī)組的性能。本文采用實驗方法，對地埋管換熱器在連續(xù)運(yùn)行工況、間歇運(yùn)行工況下的換熱能力進(jìn)行研究。

2　實驗設(shè)計及實驗系統(tǒng)

①實驗設(shè)計

采用恒定地埋管換熱器進(jìn)水溫度的方法，實驗?zāi)M夏季工況下地埋管換熱器在連續(xù)運(yùn)行工況、間歇運(yùn)行工況下的換熱能力。對于連續(xù)運(yùn)行工況，地埋管換熱器在周一至周五的8：10—l8：10連續(xù)運(yùn)行，其他時間停用。對于間歇運(yùn)行工況，地埋管換熱器在周一至周五的8：10—18：10間歇運(yùn)行，其他時間停用，并設(shè)計了3種運(yùn)行策略(見表l)。

 

地埋管換熱器的換熱能力由鉆孔單位深度換熱流量表征：鉆孔單位深度換熱流量越大，地埋管換熱器換熱能力越強(qiáng)；反之，越弱。根據(jù)實測供回水溫度、流量，鉆孔單位深度換熱流量q的計算式為：

 

式中q——鉆孔單位深度換熱流量，kW／m

Cp——水的比定壓熱容，kJ／(kg·K)

r——水的密度，kg／m3

qv——地埋管內(nèi)傳熱介質(zhì)(水)流量，m3／s

Dt——地埋管換熱器進(jìn)出水溫差，℃

L——鉆孔深度，m

②實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)流程見圖l。地埋管換熱器進(jìn)水溫度恒定在30℃，水的流速基本穩(wěn)定在0.5m／s。鉆孔深度l00m，地埋管換熱器布置為雙U形，采用PE管，外直徑為32mm，壁厚為3mm。在地埋管換熱器進(jìn)出水管道上分別設(shè)置溫度傳感器，并在鉆孔距地面0.5、2.5、4.5、9.5、14.5、24.5、44.5、64.5、94.5m處設(shè)溫度測點，測量土壤溫度。數(shù)據(jù)采集時間間隔為l0min，實測土壤初始平均溫度為l9.8℃。

 

3　實驗結(jié)果及分析

①連續(xù)運(yùn)行工況

連續(xù)運(yùn)行工況下，周一至周五地埋管換熱器連續(xù)運(yùn)行時間鉆孔單位深度換熱流量隨時間的變化見圖2。由圖2可知，隨著時間推移，鉆孔單位深度換熱流量整體呈下降趨勢，雖然周一二這種變化并不明顯，但從周三開始，特別是周五，地埋管換熱器的換熱能力已有明顯降低。前一日運(yùn)行結(jié)束時的鉆孔單位深度換熱流量較低，但次日基本能恢復(fù)至前一日開始運(yùn)行時的水平。周一至周五日均鉆孔單位深度換熱流量見表2。由表2可知，經(jīng)過5d的連續(xù)運(yùn)行，鉆孔單位深度換熱流量從67.1W／m下降至64.8W／m，下降幅度為3.4％。

 

 

連續(xù)運(yùn)行工況下周一至周五地埋管換熱器停用時間土壤平均溫度隨時間的變化見圖3。由圖3可知，土壤溫度的恢復(fù)是一個由快變慢的過程。在地埋管換熱器停用后，前4h土壤平均溫度快速下降，之后下降幅度明顯變緩。由于連續(xù)運(yùn)行，土壤平均溫度整體上有逐漸升高的趨勢。由實測結(jié)果可知，從周五地埋管換熱器停用到下一周運(yùn)行開始，土壤經(jīng)過62h的恢復(fù)，土壤平均溫度從23.0℃下降至20.2℃，為下一周的運(yùn)行提供了有利條件。

 

②間歇運(yùn)行工況

間歇運(yùn)行工況下3種策略周一、周二日均鉆孔單位深度換熱流量見表3。由表3可知，與連續(xù)運(yùn)行工況相比，間歇運(yùn)行工況3種策略的地埋管換熱器換熱能力均有所改善。策略1、2的地埋管換熱器換熱能力優(yōu)于策略3，這表明地埋管換熱器停運(yùn)時間越長，越有助于改善其換熱能力。策略l、2均為全天運(yùn)行6h，但策略l的地埋管換熱器換熱能力卻高于策略2。這說明，在一段時間內(nèi)，采取相對分散的土壤溫度恢復(fù)時間比采取相對集中的土壤溫度恢復(fù)時間效果更好。

 

4　結(jié)論

①對于連續(xù)運(yùn)行工況，雖然前一日運(yùn)行結(jié)束時的鉆孔單位深度換熱流量較低，但土壤溫度經(jīng)過一定時間恢復(fù)，次日的鉆孔單位深度換熱流量基本能恢復(fù)至前一日開始運(yùn)行時的水平，但整體上呈下降趨勢。

②與連續(xù)運(yùn)行工況相比，間歇運(yùn)行工況的地埋管換熱器換熱能力有所提高。

③對于間歇運(yùn)行工況，在一段時間內(nèi)，采取相對分散的土壤溫度恢復(fù)時間比采取相對集中的土壤溫度恢復(fù)時間效果更好。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]徐偉．中國地源熱泵發(fā)展研究報告[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：14-15．

[2]張燦，常茹，呂建．地埋管地源熱泵制熱性能測試與分析[J]．煤氣與熱力，2012，32(10)：A01-A04．

[3]丁勇．淺層地?zé)嵩礋岜每照{(diào)系統(tǒng)在公共建筑應(yīng)用中的能效研究(博士學(xué)位論文)[D]．重慶：重慶大學(xué)，2009：43-44．

[4]曲云霞，張林華，方肇洪．地源熱泵系統(tǒng)輔助散熱設(shè)備及其經(jīng)濟(jì)性能[J]．可再生能源，2003(4)：9-11．

 

本文作者：李沁  賈宇

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

  北京市建筑設(shè)計研究院有限公司