_G9王立军一种新型地源热泵换热器的研究

第期王立军一种新型地源热泵换热器的研究一种新型地源热泵换热器的研究王立军,龚光彩，周游（湖南大学土木工程学院建筑环境与设备工程，湖南410082）摘要：本文提出了一种新型的地源换热器的设计思想，本设计换热器由两个均流静压槽及静压槽之间的换热管三大部分构成。流体经均流静压槽分流后在各换热管中同向流动，管间传热几乎可以忽略，且结构简单实用，施工方便，易于维护。同时，导出了相应的埋管换热简明算法模型。此模型给出了换热管管长与换热管段流体进出口温度的关系计算式。以浅层土壤源热泵换热器为研究对象，在湖南大学校内建立了相应的实验台进行了研究。实验结果表明该类换热器单位长度换热量比竖直埋管的还好，且能达到普通水平埋管的两倍左右，能充分利用浅层地源。关键词：地源热泵；换热器；换热模型Researchofanewheatexchangeroftheground-sourceheatpumpWangLijun,GongGuangcai,ZhouYouAbstract：Thedesignideaofanew-styleground-sourceheatexchangerisintroduced,whichcontainstwobuffersorboxesandtheheat-exchangepipesbetweenthem.Afterbeingdistributed,theflowinallheat-exchangepipeshasthesamedirection,sotheheatlosesamongthepipesareeliminated.Inaddition,thestructureoftheheattransferissimple,feasibleandeasytobelaidandmaintained.Atthesametime,aconcisearithmeticmodelforthedesignofburiedheatexchangerswasderivedwhichgivesacalculationformulabetweenheat-exchangetubelengthandtheimportandexportoffluidtemperature.AcorrespondingexperimentalstagewasbuiltinHunanUniversitytostudythecharacteristicsofthenewshallowundersurfaceheatexchangerwhichshowthattheheattransferperunitlengththanverticalheatexchangersobad,andcanreachabouttwicethenormallevelundersurfaceheatexchanger,canmakefulluseofshallowground-source.KeyWords：Ground-sourceheatpump,heatexchanger,heattransfermodel.为了应对能源需求不断攀升的局面，解决能源开发利用带来的环境污染等问题，我国已将“节能减排”、“创建资源节约型和环境友好型社会”作为保证经济与社会健康、平稳发展的重大问题来抓。我国“十一五”规划明确提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%。面对节能降耗的挑战，作为建筑能耗中的大户，暖通空调行业任务艰巨，责任非比寻常。地源热泵系统是一种高效节能型并能实现可持续发展的新技术，被认为是本世纪最具发展前途的热泵空调技术之一。本文针对我国南方地区的气候和地理特点，对南方地区的地源热泵应用进行了分析，设计出一种新型的地源换热器，并对其进行了模型分析和实验研究。1该新型地源热泵换热器的设计本研究设计出了一种新型的地源热泵换热器。该换热器采取单元式立体换热结构，能很好的适应南方丘陵地区，同时还具有制作简单，施工方便，易于维护等特点，该换热器共由三部分组成，如图1，两端是均流静压槽，中部是换热管段，均流静压槽的作用是实现分流和汇流的。图1该换热器结构图Fig.1Theheatexchangerdiagram本实验的换热器Ⅰ、Ⅱ之间的距离为0.3m，湖南大学学报（自然科学版）JournalofHunanUniversity(NaturalSciences)2009年.与换热器Ⅲ之间的水平距离为1.2m；换热器Ⅰ、Ⅱ安装深度为2m（最底端管的埋深），换热器Ⅲ埋深1.2m，埋地设计见下图：5ⅠⅡ4321Ⅲ出口入口接自来水管小树地面ⅡⅢⅠ出口入口接自来水管54321图2该换热器埋地布局图Fig.2Thelayoutplanofundergroundheatexchanger2该新型地源热泵换热器的简明算法模型的建立对管内以定常的质量流量m流动的流体,在内表面发生对流换热。取微元控制体（直径等于圆管内径，长为dx米的柱体）应用能量平衡方程可得对流换热dqqPdx，q是比热流（单位W/m2），P是表面的周界长（对圆管P＝D）。应用牛顿冷却定律可得：()bdtqPPhttdxmcmc（1）其中c为流体的比热容，h为对流换热系数，bt为管壁内表面温度，t为流体断面平均温度。对地埋管热阻进行分析，可将总传热热阻分为如下四个串联的分热阻：一、管内流体与管壁内表面的对流传热热阻11iRDh（2）二、管壁的导热热阻21ln2wDRD（3）三、管道外管壁与土壤的接触传热热阻31wwRDh（4）四、埋管周围土壤传热热阻014()()2PiNrrisIXIXR（5）式中s为土壤导热系数，W/（m·℃）；200()rrXeIXd，00/(2)rXra，0r为所取换热器单元的等效外半径，m，a为土壤的热扩散率，m2/s，为运行时间，s；为积分变量，/(2)r，其中为时间积分变量；ir为所计算的埋管跟与之相邻的第i根埋管的距离，m；PN为与所计算的埋管相邻的埋管根数，详见参考文献[2]。R1、R2的计算方法见传热学书籍，令R3=0.2R4（R3的取值与施工过程中回填土壤的密度和湿度情况有关，为经验值。这里笔者经多组实验验证得知，当R3=0.1~0.3R4时，计算与实验结果都能较好地吻合）。由以上各式消除bt，整理得：41iismcRdtdxtt（6）对方程沿管长积分得：410oiitlitsmcRdtdxtt（7）第期王立军一种新型地源热泵换热器的研究41lnsiiisottlmcRtt（8）3该新型地源热泵换热器的实验测试地源热泵实验台系统：夏季制冷时，热水箱中的水从冷凝器吸热，再将热量经地埋管换热器释放到土壤中去；冬季制热时，经地源换热器换热的热水与经蒸发器换热的冷水在冷水箱中混合。3.1土壤热物性参数分析及测定埋管处的土壤可分为三类，0.3米以上是表层土，0.3米以下是老土，还有一类就是回填土。我们对埋管处的三种土壤进行了采样测试。测试和计算结果如表1所示。表1土壤采样测试Tab.1Soilsamplingtests土壤参数回填土表层土老土体积V（cm3）136.78136.78136.78原始质量0M（g）205.5167.5280.5湿密度0（kg/m3）1502.411224.592050.74加湿后质量wM（kg）227.5187.0281.0湿饱和度Sr（%）90.3389.5799.82烘干后质量dM（kg）168.5136.5232干密度（kg/m3）1231.91997.951696.15含水率（%）18.0018.5117.29导热系数s（w/(m·℃)）0.78700.56881.5074比热c（J/(kg·℃)）1296.391293.971489.36热扩散率（m2/s）4.04×10-73.59×10-74.94×10-73.2长时间运行土壤温度场变化情况测试实验采用自制式带不锈金属外壳保护的PT100铂电阻热电偶来监测换热器运行时周围土壤和进出换热器水的温度，通过控制系统的上位机显示并记录数据。在距离换热器Ⅱ2米处打洞安置了四个热电偶，埋深分别为0.1m、1.0m、1.5m、2.0m，用来测量原始土壤温度。在与换热器Ⅰ距离分别为0.1m，0.5m、1.0m处分别安置了一个热电偶，它们的埋深均为1.9m，用来监测换热器Ⅰ运行时其同一深度土壤的温度变化。在换热器Ⅰ中央垂直方向安置了四个热电偶，埋深分别为0.1m、1.0m、1.5m、1.9m，用来检测换热器Ⅰ运行时对竖直方向土壤的温度分布影响。在换热器Ⅰ和换热器Ⅱ之间安置了一个热电偶，埋深为1.9m，测量换热器Ⅰ单独运行与换热器Ⅰ和Ⅱ同时运行时的土壤温度，以便对比换热器对周围土壤温度的影响。图3夏季换热器Ⅰ长时间工作时土壤温度水平变化Fig.3HeatexchangerⅠworkinglonginsummerandthechangeinlevelsoiltemperature图4冬季换热器Ⅰ长时间工作时土壤温度水平变化Fig.4HeatexchangerⅠworkinglonginwinterandthechangeinlevelsoiltemperature3.3地源热泵换热器的换热效果测试表22008年8月4~6日换热效果测试数据处理Tab.2August4~6,2008,effectofheattransfertestdataprocessing项目实测值计算值换热器总流量（m3/s）1.351.35换热器单元进口温度（℃）36.936.9换热器单元出口温度（℃）36.736.79换热器进出口温差（℃）0.20.11换热器单位长度换热量（W/m）156.887.96湖南大学学报（自然科学版）JournalofHunanUniversity(NaturalSciences)2009年.算术平均传热系数（W/(m·℃)）11.28066.3076对数平均传热系数（W/(m·℃)）11.28086.3077表32008年8月21日换热效果测试数据处理Tab.3August21,2008,effectofheattransfertestdataprocessing项目实测值计算值换热器总流量（m3/s）1.351.35换热器单元进口温度（℃）38.138.1换热器单元出口温度（℃）37.637.83换热器进出口温差（℃）0.50.27换热器单位长度换热量(W/m)388.08212.85算术平均传热系数（W/(m·℃)）25.958514.1288对数平均传热系数（W/(m·℃)）25.960914.1292表42008年8月26日换热效果测试数据处理Tab.4August26,2008,effectofheattransfertestdataprocessing项目实测值计算值换热器总流量（m3/s）1.351.35换热器单元进口温度（℃）35.635.6换热器单元出口温度（℃）35.235.37换热器进出口温差（℃）0.40.23换热器单位长度换热量(W/m)310.46176.44算术平均传热系数（W/(m·℃)）24.836814.0198对数平均传热系数（W/(m·℃)）24.838914.0203表52009年1月12日换热效果测试数据处理Tab.5January12,2009,effectofheattransfertestdataprocessing项目实测值计算值换热器总流量（m3/s）1.01.0换热器单元进口温度（℃）5.45.4换热器单元出口温度（℃）5.95.61换热器进出口温差（℃）0.50.21换热器单位长度换热量(W/m)284.59111.11算术平均传热系数（W/(m·℃)）33.285412.7786对数平均传热系数（W/(m·℃)）33.294812.7792表62009年1月13日换热效果测试数据处理Tab.6January13,2009,e