套管式土壤换热器换热性能的实验研究

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1、套管式土壤换热器换热性能的实验研究胡映宁，李常春，王小纯，（广西大学机械工程学院，南宁530004）摘　要：本文以作者自主设计的深度为60m的镀锌钢管套管土壤换热器地源热泵热水系统和热电偶测温度系统为实验平台，对富水土壤温度、镀锌钢管套管土壤换热器换热性能以及套管换热器对周围土壤的热影响进行了实验研究。研究表明：南宁市地表5m以下的浅层土壤温度约为23.5℃；Ф80和Ф65套管换热器各自合理的流量分别为1500L/h和1200L/h，对应的单位井深换热量分别为107.5W/m和81.4W/m；不同内管导热系数对镀锌套管换热性能影响很小；内进外出流动模式换热

2、性能优于内出外进流动模式；间歇运行有利于土壤温度恢复关键词：地源热泵；套管；换热性能中图分类号：TK5　　　　　　文献标识码：A稿日期:2010-4-15资助项目:“十一五”国家科技支撑计划专题(RBG200701);广西科学研究与技术开发计划项目(桂科攻0719001-I5)通讯作者:胡映宁((1960--)，女，教授，主要从事机械工程及可再生能源方面的研究。hyn@gxu.edu.cn0引言随着我国经济的快速发展，能源短缺和环境污染问题日益严重，具有可再生、高效节能和绿色环保等特点的地源热泵系统越来越受到人民的青睐。地源热泵地下埋管换热器有水平和垂直两

3、种方式。由于水平埋管占地面积大并且热恢复速度较慢，影响运行周期长、运行频率高的换热器的换热性能[1]，因此垂直埋管应用更广泛。垂直埋管换热器常采用的形式有套管和U型管两种，由于套管式换热器的热阻比u型管小，即其单位长度的传热能力大于U型管换热器[2]，因此套管式换热器的换热性能更好，在同样换热量条件下，套管换热器埋管占地面积要小于U型管换热器的占地面积。我国地少人多、居住密集，地源热泵地下换热器较大的埋管占地面积一定程度上制约了其在我国的应用和发展。由于套管换热器占地面积相对较少，比较适合我国的国情，在我国的应用将会越来越多，开展套管土壤换热器换热性能的实

4、验研究具有非常重大的意义和实用价值。国内外众多学者对套管换热器都进行了相关研究。Mei和Fische在能量守恒基础上建立了垂直套管换热器的瞬态传热模型[3]。文献[4]利用能量平衡建立了地下浅埋套管式换热器传热平衡式。文献[5]运用数学解析法推出了套管内换热介质在内进外出和外进内出两种不同流动模式式下的温度随埋深变化的函数表达。文献[6]开展了套管作者：微软用户流动模式和外内管导热系数比对换热能力影响的实验研究，研究表明内进外出模式以及外内管导热系数λ比较大的有利于提高套管埋地换热器的换热量。文献[7]中对Ф65和Ф80套管换热性能进行了研究，得出Ф65套

5、管换热器的投资性最好。以上研究的对象都是埋管深度小于30m的套管土壤换热器，并且套管外管的材质大都是PVC或PE塑胶材料，对埋管深度比较深的镀锌钢管套管换热器展开的研究比较少，这与实际相脱节。实践工程中大都是在埋管面积不充足的情况下才选用套管换热器，因此套管很少浅埋，埋管深度一般都在60m以上，而且大都是镀锌钢管套管。本文以自主设计的埋管深度为60m的镀锌套管土壤换热器地源热泵热水系统和热电偶测温度系统为实验平台，对亚热带地区土壤温度、套管换热器换热性能以及套管换热器对周围土壤的热影响套管进行实验研究，为地源热泵系统套管土壤换热器传热模型建立以及实际工程应

6、用提供有效参考依据。1实验平台及实验仪器介绍1.1实验平台本文实验平台位于广西自治区南宁市发展大厦小区。实验平台由两个系统组成：一个是埋管深度为60m的镀锌套管土壤换热器地源热泵热水系统，套管之间距离为6m,主要是用来研究套管换热器的换热性能，图1为地源热泵热水系统原理图；另一个是热电偶测温系统，由温度测试井、1号套管和2号套管里的热电偶组成,主要用来监测地下土壤温度分布和套管环腔内不同深度的水温，图2为测温系统示意图。图1套管土壤换热器地源热泵热水系统图Fig.1Hotwatersystemofgroundsourceheatpump图2热电偶测温系统图

7、Fig.2Thermocoupletemperaturemeasurementsystem1.2实验设备及器材实验设备：型号为JFHRDQT10-028地源热泵热水机组，名义制热量为11.1KW/h,制热输入功率为2.59KW；型号为401循环水泵，扬程9m，流量为2吨。实验仪器：精度为±0.1℃的HI98501ChecktempC型温度计；TR118型定时器；等级精度为一级的埃美柯牌水表；Pt100热电阻；XMD-100温度巡回检测仪。2套管土壤换热器地下温度场情况的实验研究地埋管换热器是地源热泵系统的关键部件，换热器与土壤之间的热交换关系到整个热泵系统

8、的性能,因此在设计地埋管换热器之前必须进行试验井的勘察和测试以了解