合肥地区垂直U型埋管换热器实验分析及模拟.pdf

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1、合肥地区垂直U型埋管换热器实验分析及模拟刘亮(中国烟草总公司合肥设计院，安徽合肥230051)图1地埋管换热器相对位置圈{蓍3o0前言2826地源热泵是以地表能为热源(或热汇)，通过输入少量的高品位能源(如电能)，实24现低品位热能向高品位热能转移的热泵空调系统。与传统空调系统相比，地源热泵空调系统主要区别在于增加了一个地热换热器，即地下埋管环路。因此，对地源热泵系统22来说，其关键就是地下埋管换热器，换热器性能直接关系到整个系统的工作效率。本文鹱霁鬻黎餐鬻首先通过实验分析了地埋管换热器的各项性能指数，并且与理论模拟相对比，在此基图28月1日到6日室内外温度

2、变化图础上模拟了换热器的长期运行工况及其周围土壤温度场变化情况，为实际工程提供一定的指导意义。魁赠1理论分析1．1物理模型U型埋管换热器的传热是一个非常复杂的过程，实际工程中换热器的钻孔直径一般为100ram～200ram，而钻孔深度一般为40m～200m，钻孔直径相对钻孔深度来说很小，基于此，本文将采用线热源模型进行理论分析。图3连续运行地热换热器进出口温度变化图1．2数学模型在上述物理模型基础上，利用格林函数法即可得出无限长线热源在恒定热流前提下，任意时刻土壤各处的温度分布为：．J，．(1)式中：x=—：：2X／asr该点土壤温度(℃)r一土壤初始温度(

3、℃)口’——线热源的热流(W／m)图4连续运行单位井深换热量变化图r—该点离线热源的距离(m)A厂一土壤的导热系数(w／(m·℃))广一土壤的导温系数(mz／s)运行时间(s)积分变量对于X<0．2，I(X)可以用以下公式近似计算：=)+等一等一。一2886(2)瘸-誉票骥t雾f鑫’震露_州图5连续运行系统COP和进出水温差变化图2实验分析笔者于2009年夏在安徽建筑工业学院地源热泵实验室进行了实验测试。埋管位置图l所示，均为单U型，其中A、B、C、D为运行井，1、2、3、4、5为测试井，实验时开启越赠图6日运行12h室内外平均温度变化图⋯9‘：6∞日⋯∞∞

4、⋯¨]l】”㈨”】"e2．sO8sOa3：3E(a)_-E壤温度场分布(40d)(b)土壤温度场分布(80d)图10长期运行条件下换热器周围土壤温度场分布(a)土壤温度场分布(120d)(b)土壤温度场分布(160d)图11过渡季节的土壤温度分布图2009年8月11号至17号进行了为期7d的间歇运行工况测试，热泵系统白水、天开机，夜晚停机。在选定的O．64m／s流速情况下，开停机比为I：l，测试结果见电、图6、图7、图8。暖图8日运行12h单位孔深换热量变化图由图6~8可以看出，0．64m／s测试1二况下单位孑L深换热量与埋管换热器进口水通温变化较大，其中平

5、均单位孔深换热量最大值为74．1W／m，出现在8月14日；最小朱值为73．4W／m，出现在8月11日，平均单位孔深换热量为73．7W／m，系统平均制冷与系数COP值为2．54。应用2．4理论模拟根据实验分析可知，同一流速下不同运行方式地埋管换热器及其周围土壤的换热情况不一样，基于此，本文模拟了地源热泵在运行一个夏季后换热器周围土壤温度场变化情况。由图10、l1可以看出，供冷期结束后换热器周围土壤温度较高，随后慢慢下图9日运行12h系统COP和进出水温差降，开始一段时间温度下降的幅度比较大且快，后来温度变化逐渐趋于平缓，最后A、B、c，A、B井深80m，C、D

6、井深100m，测试趋于一致，这与理论上分析一致。经过一个夏季运行后，地埋管换热器周围土壤温井均为60m。度较运行前升高了1．7℃，可见地下存在热不平衡，即“热堆积现象”。2．1原始低温测试8月1日到6日进行原始地温测试。所3结语测数据如图2所示。2．2连续放热工况测试本文实验分析了合肥地区典型气候条件下地源热泵在连续和间歇运行工况经过对系统的调试，综合系统压降等下的各项性能指数，并模拟了系统在连续运行一个夏季后地埋管换热器周围土壤因素最后选取了一个较优流速0．64m／s作温度场的变化情况。结果表明：同一流速下，全天间歇运行模式下的地埋管换热器为实验流速。测试

7、结果绘制图表如图3～图5。各项运行参数要高于全天连续运行的模式；在经历一个夏季的运行后，地埋管换可以看出。埋管换热器进口水温和进热器周围土壤温度升高了1．7℃，可见对于合肥这种冬冷夏热地区来说，地下可能出水温差随循环水流速的减小而相应增存在一定热堆积现象，这为进一步研究合肥地区地埋管换热器换热性能提供了一大，单位孔深换热量和系统制冷系数COP定的参考价值，也为地源热泵系统施工提供了一定参考价值。则随着流速减小而减小。由图2、3、4可以看出，第5d单位孔深换热量较第ld减小了1．7W／m，测试期间单参考文献位孔深换热量平均值为73．1W／m，系统制冷[1]徐伟

8、，等地源热泵工程技术指南[M】．北京：中国建筑工业出