螺旋埋管能量樁換熱器的傳熱研究.pdf

1、地埋管地源熱泵技術(shù)是淺層地?zé)崮芾弥幸环N主要形式，被譽(yù)為20世紀(jì)最為節(jié)能環(huán)保的供熱空調(diào)技術(shù)。對(duì)使用樁基礎(chǔ)和地源熱泵的建筑物，使用能量樁換熱器取代一部分鉆孔換熱器，是淺層地?zé)崮芄こ虘?yīng)用的一個(gè)趨勢(shì)。螺旋埋管能量樁換熱器作為一種新型的地埋管換熱器近年來在能量樁的工程中逐漸得到應(yīng)用，是能量樁地源熱泵技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。本文采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)螺旋埋管能量樁換熱器的傳熱特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　首先，搭建了螺旋埋

2、管能量樁換熱器模型化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)施了螺旋埋管能量樁換熱器不同工況的熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，獲得了熱流負(fù)荷、溫度響應(yīng)和等效熱阻等傳熱特性參數(shù)的變化規(guī)律。通過大量高精度溫度探頭的布置和恒定熱功率放熱實(shí)驗(yàn)獲得了螺旋埋管能量樁換熱器的熱流負(fù)荷、循環(huán)水溫度、換熱管壁溫、能量樁樁壁溫度和巖土溫度的變化規(guī)律，進(jìn)一步得到了螺旋埋管能量樁換熱器的等效總熱阻和管中熱阻、樁身熱阻、巖土熱阻等等效子熱阻，分析了加熱功率、回填介質(zhì)和巖土介質(zhì)熱物性對(duì)螺旋埋管能量樁換熱器的熱流負(fù)

3、荷、溫度響應(yīng)和等效熱阻的影響。在恒定熱功率下，能量樁換熱器的熱流負(fù)荷首先迅速上升，逐漸達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值，然后隨電壓波動(dòng);在脈沖熱功率下，加熱器啟動(dòng)階段熱流負(fù)荷迅速增長(zhǎng);加熱器停止時(shí)，熱流負(fù)荷達(dá)到最大值;加熱器停止后，熱流負(fù)荷迅速降低，然后逐漸減少至最小值。管中等效熱阻達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)比等效總熱阻小1-2個(gè)數(shù)量級(jí);樁身等效熱阻比等效總熱阻小0.5-1個(gè)數(shù)量級(jí);短時(shí)間運(yùn)行時(shí)，樁身等效熱阻在等效總熱阻中占據(jù)最大份額;長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，巖土等效熱阻在等

4、效總熱阻中占據(jù)最大份額。提高回填介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和體積比熱可使得樁身等效熱阻、巖土等效熱阻和等效總熱阻有效降低，改善回填介質(zhì)的熱物理性質(zhì)可有效提高能量樁換熱器的傳熱效率;高導(dǎo)熱率和高體積比熱的巖土可使樁身等效熱阻、巖土等效熱阻和等效總熱阻有效降低。
　　其次，建立了可代替三維模型的螺旋埋管能量樁換熱器的二維瞬態(tài)軸對(duì)稱環(huán)管熱源模型，分析了設(shè)計(jì)因素對(duì)螺旋埋管能量樁換熱器短期等效熱阻的影響。通過換熱管管壁的熱通量邊界條件，環(huán)管熱源模型將能

5、量樁換熱器的固體域和流體域聯(lián)立實(shí)現(xiàn)耦合求解，仿真結(jié)果可同時(shí)提供各匝流體、管壁、樁身和周圍巖土的溫度響應(yīng)。環(huán)管熱源模型的計(jì)算速度很快，具備解決工程技術(shù)問題的實(shí)用性。環(huán)管熱源模型的計(jì)算結(jié)果與三維數(shù)值模型對(duì)比分析表明，環(huán)管熱源模型的模擬結(jié)果保持了三維傳熱模型的基本傳熱特性;提出以管長(zhǎng)相對(duì)比的概念來評(píng)估二維數(shù)值模型的計(jì)算精度，在一定條件下環(huán)管熱源模型可替代三維模型使用。利用環(huán)管熱源模型分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)螺旋埋管能量樁換熱器短期等效熱阻的影響，包括

6、螺旋管的長(zhǎng)徑比、螺旋管的曲率、流體的雷諾數(shù)，以及回填介質(zhì)與周圍巖土的相對(duì)熱擴(kuò)散率。螺旋埋管能量樁換熱器的等效總熱阻隨螺旋管長(zhǎng)徑比的減小而減小，小長(zhǎng)徑比有助于提高能量樁的傳熱性能;樁身、管壁和流體三項(xiàng)等效子熱阻隨螺旋管曲率的增加而減小，原因應(yīng)是曲率的增加導(dǎo)致管道傳熱面積和工作流體熱容量增加;樁身等效熱阻隨著回填材料熱擴(kuò)散率的增大而減小，當(dāng)回填介質(zhì)的熱擴(kuò)散率小于周圍巖土的熱擴(kuò)散率時(shí)，提高回填介質(zhì)的熱擴(kuò)散率可有效降低能量樁換熱器的樁身等效熱阻

7、和等效總熱阻;螺旋埋管能量樁換熱器的等效總熱阻隨循環(huán)流體雷諾數(shù)的增加僅略有下降，提高管內(nèi)循環(huán)流體的對(duì)流換熱強(qiáng)度對(duì)提高螺旋埋管能量樁換熱器的傳熱性能作用不大。
　　然后，基于三維數(shù)值傳熱模型的能量樁溫度響應(yīng)精確計(jì)算，分析了埋管類型和螺距對(duì)能量樁傳熱特性的影響，給出了螺旋埋管能量樁換熱器循環(huán)流體平均溫度的G函數(shù)，分析了螺距對(duì)熱泵COP的影響。考慮了循環(huán)流體的軸向傳熱，基于三維固體導(dǎo)熱模型和一維非等溫管道流傳熱模型建立了能量樁換熱器的三

8、維瞬態(tài)數(shù)值傳熱復(fù)合模型。三維數(shù)值傳熱模型在樁身傳熱、巖土傳熱和流體傳熱三方面均比較完好的保持了能量樁換熱器的三維傳熱特征。由于將管中流體和管壁傳熱作為一維模型進(jìn)行處理，在保證換熱管軸向熱量傳遞的條件下，所建立的三維數(shù)值傳熱幾何模型減少了計(jì)算網(wǎng)格數(shù)目，提高了計(jì)算資源的利用效率;采用線圈熱源模型的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了三維數(shù)值傳熱模型的長(zhǎng)期巖土溫度響應(yīng)，采用現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三維數(shù)值傳熱模型的流體短時(shí)溫度響應(yīng)，結(jié)果表明本文所建立的三維瞬態(tài)數(shù)值傳熱

9、模型是有效且可行的。其次，建立了U形管、W形管和螺旋埋管這三種不同埋管類型能量樁換熱器的幾何模型，采用三維數(shù)值傳熱模型進(jìn)行求解，獲得了恒熱流工況下U形管、W形管能量樁換熱器和四種不同螺距的螺旋埋管能量樁換熱器的等效熱阻、溫度響應(yīng)和樁壁面?zhèn)鳠崧?先對(duì)比分析了U形管、W形管和螺旋埋管換熱器恒熱流工況下對(duì)能量樁換熱器傳熱特性的影響;又對(duì)比分析了恒熱流條件下螺距對(duì)螺旋埋管能量樁換熱器傳熱特性的影響。結(jié)果表明對(duì)于形狀和回填介質(zhì)一致的能量樁，不同幾

10、何形式的換熱管對(duì)能量樁和巖土之間的傳熱率沒有顯著的影響，但是較長(zhǎng)管路和較大換熱面積導(dǎo)致?lián)Q熱管中循環(huán)流體的熱容量較大、溫變較小，這對(duì)提高地源熱泵系統(tǒng)的能效比是有利的;即換熱管的管長(zhǎng)和換熱面積較大的影響了循環(huán)水的溫度響應(yīng)、樁身的溫度均勻度和樁身的局部傳熱率，但是對(duì)樁身總傳熱率和樁身平均溫度幾乎沒有影響。基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，擬合給出了四種螺距螺旋埋管換熱器循環(huán)流體溫度響應(yīng)的G函數(shù)，并基于疊加原理和G函數(shù)法建立了熱泵COP的計(jì)算方法，計(jì)算了四種螺

11、距在不同影響因素下的熱泵COP，分析了螺旋埋管能量樁換熱器的螺距在不同影響因素下對(duì)熱泵COP的影響規(guī)律。螺距小的螺旋埋管能量樁換熱器傳熱效率高、適用性較好;螺距小的能量樁換熱器允許采用低濃度的防凍液作為循環(huán)流體，對(duì)減小能量樁換熱器循環(huán)流體的溫變和提高系統(tǒng)能效比有益;在不同影響因素（巖土初始溫度、負(fù)荷比、冷熱負(fù)荷比和熱冷負(fù)荷比）條件下，本文案例中相對(duì)螺距(SP=0.25，0.5，1.0，2.0)的增加導(dǎo)致熱泵平均COP降低0.77％-16

12、.49％。
　　最后，以濟(jì)南市某大型地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)為依托，建立了全尺度螺旋埋管能量樁-鉆孔換熱器的現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用恒定熱功率法分別對(duì)鉆孔換熱器和能量樁換熱器實(shí)施了恒定功率熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，又對(duì)能量樁-鉆孔換熱器復(fù)合系統(tǒng)實(shí)施了供熱季運(yùn)行熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究了螺旋埋管能量樁換熱器和雙U形埋管鉆孔換熱器的恒定功率和運(yùn)行熱響應(yīng)特性，分析了等效熱阻、流體溫度、傳熱率、熱泵COP和管周混凝土溫度的變化規(guī)律。結(jié)果表明:大徑向尺寸的熱源和高熱物

13、理性質(zhì)的回填介質(zhì)對(duì)提高地埋管換熱器的熱響應(yīng)速率有利;螺旋埋管能量樁換熱器的傳熱性能遠(yuǎn)好于雙U型鉆孔換熱器;小長(zhǎng)徑比的換熱器和每米深度內(nèi)較長(zhǎng)的換熱管有助于提高地埋管換熱器的換熱效率;螺旋埋管能量樁換熱器對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)能力強(qiáng)于雙U形埋管鉆孔換熱器;螺旋埋管能量樁換熱器的瞬態(tài)等效熱阻遠(yuǎn)小于雙U形埋管鉆孔換熱器。螺旋埋管能量樁換熱器的熱響應(yīng)速率要遠(yuǎn)快于雙U形埋管鉆孔換熱器。另外，供熱季運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中，鉆孔換熱器和能量樁換熱器的循環(huán)水溫度和延米傳熱率隨

14、供熱運(yùn)行呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì);流體溫度和延米傳熱率的振幅和波動(dòng)頻率可能決定于熱泵機(jī)組的制熱量和建筑物的熱負(fù)荷。流體溫度和傳熱速率的幅值和工作頻率應(yīng)受熱泵控制參數(shù)的制約。本文實(shí)驗(yàn)條件下，恒定功率熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙U形埋管鉆孔換熱器的平均等效熱阻約為螺旋埋管能量樁換熱器的5.65倍;能量樁換熱器的等效熱阻減小率的變化速率約為鉆孔換熱器的9倍。本文工程案例的冬季供熱季運(yùn)行熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有效深度為27米的能量樁換熱器提取的熱量比有效深度為90

15、米的鉆孔換熱器提取的熱量略高;在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，單位長(zhǎng)度能量樁換熱器的峰值傳熱率約為鉆孔換熱器的3.65倍，而能量樁換熱器的每米管長(zhǎng)傳熱率(dn25)約為鉆孔換熱器(dn32)的1.32倍。螺旋埋管能量樁換熱器的管周混凝土溫度隨熱泵取熱負(fù)荷的減小而增大，隨熱泵取熱負(fù)荷的增大而減小。供熱運(yùn)行期間，管周混凝土的最低溫度比初始土壤溫度低5.05℃，供熱結(jié)束時(shí)管周混凝土溫度相比初始溫度降低3.24℃。在運(yùn)行后期的間歇性運(yùn)行期間，經(jīng)過一夜的恢復(fù)期

16、，管周混凝土溫度可恢復(fù)0.65℃左右。當(dāng)供熱期結(jié)束，再經(jīng)過15天的恢復(fù)期，管周混凝土溫度只比初始溫度降低1.7℃。
　　本文采用實(shí)驗(yàn)方法定量獲得了螺旋埋管能量樁換熱器的等效總熱阻和等效子熱阻的變化規(guī)律，為數(shù)值傳熱模型的簡(jiǎn)化和傳熱特性的分析提供了依據(jù)。建立的二維瞬態(tài)軸對(duì)稱環(huán)管熱源模型準(zhǔn)確度高、實(shí)用性強(qiáng)，為螺旋埋管能量樁換熱器的技術(shù)分析和工程設(shè)計(jì)提供了一個(gè)實(shí)用性工具。擬合給出了螺旋埋管能量樁換熱器循環(huán)流體平均溫度的G函數(shù)，優(yōu)化了能量樁