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东进资讯:双U地埋管换热器的性能实验

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1实验系统

实验系统位于中南大学第二综合实验楼,主要包括室外地下换热器部分,热泵机组和末端风机盘管。地下部分包括1号(单U),2号(单U),3号(双井)3个直径为150mm,井间距为7m的竖井,3个井的埋深分别为77,43,43m;地埋管换热器选用DN25的PE100管,传热介质为水;热泵机组选用一台额定制冷量为10.4kW,额定制热量为15.7kW的冷热水型水源热泵机组;在1,2,3号井的进出口,热泵机组总冷却水的进出口。对长沙地区一套土壤源热泵系统进行了夏季及冬季工况连续运行的实验,实时采集U型管进出口的水温,流量以及地温等数据。通过对所采集的实验数据进行处理分析,对比了不同工况,不同埋管形式,不同埋深条件下的地埋管换热器进出口温差及单位井深换热量,结果表明,无论是夏季工况还是冬季工况,双U型管的单位井深换热量比单U型管高25~30.

冻水的进出口和1号井60m埋深处的盲管内,共布置11个PT100温度传感器,将11组信号接入巡检仪,每分钟采集6个数据,使用LabVIEW软件编写的程序进行温度信号的采集记录。

2实验结果及处理方法

夏季工况实验从2009年5月22日开始,连续运行53h;冬季工况实验从2009年12月21日开始,连续运行48h.在机组运行前,先对地温进行测试。实验期间采集各井的循环水进出口水温,机组进出冷冻水温,冷却水温和地温;在机组基本达到稳定运行时,记录流量;在机组运行稳定阶段,记录机组的功率和水泵功率。

COPC=QOCW,COPH=QOHW(2)

式中:QOC为夏季工况机组制冷量,kW;QOH为冬季工况机组制热量,kW;COPC为夏季工况下机组性能系数;COPH为冬季工况下机组性能系数;W为热泵机组压缩机功率,kW;C为循环水的比热,J/(kg?K);m为循环水的质量流量,kg/h;ΔT为机组进出口冷冻水的温差,K.单位井深换热量计算:qLC=QOCL=CmΔT3600,qLH=QOHL=CmΔT3600(3)

3实验结果分析

3.1系统运行情况分析

由1号井60m埋深处的盲管内的温度传感器测得地温。由机组进出口水温及地温图可知,地下60m深处的土壤温度基本不受地面温度影响而保持在20℃左右,地温及进出水温度初期变化很快,随后渐趋稳定。这是因为土壤的导热系数比水的导热系数小,在热泵机组启动阶段,热量(冷量)会堆积在埋管换热器周围,使U型管周围的土壤温度急剧上升(下降),传热效果下降,使出口水温逐渐升高(降低)。由于夏季(冬季)机组效率随着埋管内循环水温度的升高(降低)而减少,故机组的运行效率会随之降低。随后,换热器与土壤之间的换热逐渐趋于稳定,热量(冷量)沿着半径方向逐渐往外扩散,出口水温的变化也趋于平缓,系统进入准稳定阶段。如果以地温平稳作为系统稳定的标志,稳定时间在40h左右。

在夏季工况,当机组运行达到稳定时,冷冻水的进水水温在11.6℃左右,出水温度在7.5℃左右,进出水温差稳定在4.1℃,流量为0.564kg/s,制冷量为9710W,压缩机制冷性能系数COP为3.20.冬季工况下,负荷侧水的进水水温大致稳定在43.3℃左右,出水温度为39℃左右,进出水温差稳定在4.3℃,流量为0.561kg/s.同理,可得制热量为9539W,压缩机制热性能系数为3.13.冬季的COP值跟夏季有一定的差距,垂直地埋管换热器的换热性能行时,冷却水进回水温度偏高,导致冷凝温度过高,因此COP值偏低;另外,可以看到冬季的循环水进水温度偏高,约为7.2℃,导致流体与土壤间的温差偏小,能换出的热量也就比较少,使进出水温差偏小。所以冬季运行应适当减小进水温度,但进水温度也不宜过低,否则蒸发温度过低,系统运行效率降低。由此可见,机组的运行性能系数在一定程度上受外界环境温度的影响。依据地源热泵的特性可以看出,该空调方式更适合夏热冬冷地区的使用。

3.2冬夏季运行对比分析

夏季工况下,1号井的进出口温差约为9.1℃,平稳运行时测得流量为0.57m3/h,单位井深换热量为78.59W/m;冬季工况下,进出口温差约为4.2℃,平稳运行时测得流量为0.74m3/h,单位井深换热量47.09W/m.为定量评价钻井的导热能力,定义钻孔平均导热系数kb为埋管内循环水平均温度与土壤无限远处温度相差1℃时,单位时间内通过单位井深所传递的热量,直接反映了埋管钻孔与周围土壤间的传热特性[6]。

kb=qLtf-ts(4)

通过计算显示,kbc,kbh分别为4.50W/(m?k),4.14W/(m/k),夏季工况钻井单位温差的换热性能与冬季工况并没有太大差别。由此可见,冬夏换热能力的差距主要是由埋管内循环水与土壤之间温度差的不同引起的。根据实验测量,长沙地区土壤恒温层温度约为20℃,冬季循环水平均温度与土壤温度差约为11.4℃,夏季为17.45℃,当流量变化不大的情况下,势必造成冬季换热量远小于夏季。

3.3单U管不同埋深换热性能对比分析

对比1号井与2号井的冬夏两季表现可见,同为单U管,由于埋深的不同,埋深大的1号井进出口温差比2号井进出口温差大很多,这是由于随着埋深增加,地下换热器与土壤接触面积增大,管内流体停留时间相对增长,从而可以换出更多的热量。另外可以看到,两井单位井深换热量的差距并不大,1号井略小于2号井。从这方面说,2号井的换热性能优于1号井,这主要是因为1号井U型管内的水流量要小于2号井。

3.4单U管与双U管的对比分析

夏季工况下:当机组运行稳定时,2号井的进水温度为41.9℃,出水温度为37.2℃,进出口温差为4.7℃;3号井的进水温度为41.9℃,出水温度为37.6℃,进出口温差为4.3℃。冬季工况下:2号井的进水温度为7.2℃,出水温度为9.4℃,进出口温差为2.2℃;3号井的进水温度为7.2℃,出水温度为9℃,进出口温差为1.8℃。

由式(3)得到的各井冬夏两季单位井深换热量.在冬夏季的两种工况下,单U管的进出水温差都要比双U管大,从这一角度讲,井深一定时,单U管的换热性能要好于双U管。由冬夏两季各井单位换热量可以看出,制冷/制热工况下双U管单位井深换热量均大于单U管,这是由于双U管的循环水流量大于单U管,换热面积理论上也是单U管的两倍。但是,双U埋管的单位井深换热量并不是单U埋管的两倍,主要是因为钻井直径较小,每个埋管井都会在进,回水管间出现程度不同的"热桥"现象,而双U埋管的"热桥"损失要比单U埋管严重。

经计算qL3C/qL2C=107.67/84.16=1.30,qL3H/qL2H=64.5/51.33=1.26,即在同一系统中,使用双U管的单位井深换热量比单U管高25~30.

4结论

(1)分别对长沙地区的一套实验用土壤源热泵系统进行了夏,冬两季工况的连续运行测试,对比了冬,夏工况下,不同埋深的单U,双U地埋管换热器的换热性能。

(2)实验模拟得出,达到土壤温度稳定约需40h;实验稳定时,冬夏两季循环水进/出口温度分别是7.2℃/10℃与41.8℃/36.6℃;并计算出机组冬夏工况压缩机的性能系数;对比了同一钻井冬夏工况的换热情况显示,地埋管的换热性能夏季好于冬季。

(3)由各井的单位井深换热量的计算结果可知,双U埋管的单位换热能力约为单U埋管的1.25倍;不同井深的单U埋管单位换热能力基本相同,单井总换热量随着井深增加而增加。