竖直U形地埋管流速与换热强度实验研究.docx

1、竖直U形地埋管流速与换热强度实验研究武汉科技大学黄刘秋新席洋包阔摘要在2个实际工程现场钻取测试井，采用常见的竖直U形地埋管形式，设定不同的管内流速，测得模拟冬、夏季工况下的进出口水温，计算出单位井深换热量，分析了管内流速对地埋管换热强度的影响。结果表明，在0.60.9m/s的流速范围内，地埋管换热强度随流速的增大而增大,超出这一范围，增大流速会导致换热强度降低。关键词竖直U形地埋管管内流速换热强度实验测试单位井深换热量ExperimentalresearchonflowrateandheattransferintensityofU-typeverticalburiedpipeByHuangL/

2、ong*,LiuQiuxin,XiYongandBooKuoAbstractDrillsthetestwellsontwoprojectsites,withacommonformofU-typeverticalburiedpipe,selectsdifferentflowratesinpipes,andmeasuresinletandoutletwatertemperaturesunderthesimulatedwinterandsummerconditions.Calculatesheatexchangeperunitwelldepth,andstudiesandanalysestheinf

3、luenceofflowrateontheheattransferintensityofpipes.Theresultsshowthatwithintherangeof0.6to0.9m/s*thehighertheflowrateis,thehighertheheattransferintensityis.Beyondthisrange,theincreaseofflowratemayresultinareductionoftheheattransferintensity.KeywordsU-typeverticalburiedpipe,flowrateinpipe,heattransfer

4、intensity*experimentaltest,heatexchangeperunitwelldepthWuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,China0引言影响地埋管换热器换热强度的因素有很多，如土壤的地质结构、土壤中水的渗流、地埋管形式、地埋管进水温度和管内水流速等。本文在理论计算的基础上，在2个实际工程现场钻取测试井，采用工程常见的竖直U形地埋管形式，利用一套实验测试系统，结合实践经验设定不同的地埋管管内流速，在模拟冬、夏季工况下测得地埋管进出口水温,从而计算出其对应工况下的单位井深换热量，研究管内流速对地埋管换热器换热强度的影响。

5、1实验测试系统利用电加热器对循环水进行持续加热,用来模拟夏季工况的热负荷，测试U形地埋管进出口水温;将风冷冷凝机组作为冷源，持续冷却循环水用以模拟冬季工况下的冷负荷。测试系统中主要的仪器和设备如表1所示，用于连接各设备的管道均采取保温措施，水泵引起的温升很小，忽略不计，系统原理图见图1。2测试结果与分析2.1实验测试1某项目位于湖北省宜昌市,在其现场钻取1口测试井，深度为102m,根据地质勘测，地质结构均为红砂岩。地埋管采用PE塑料管，内径20mm,公称壁厚2.5mm,地埋管形式为单U形,钻孔直径为110mm。在模拟夏季和冬季工况下，结合工程实际分别设定2组管内平均流速，如表2所示。黄侃，男，

6、1988年11月生，在读硕士研究生430073湖北省武汉市雄楚大道199号武汉科技大学洪山校区(0-maiit214318537收稿日期：2013-03-08次修回：2013-04-28二次修回：2014-04-07哀1主要测试仪器和设备保温桶圆柱形截面直&650mm,高800mm.外部保温层厚度30nun,设有进出水管、水位显示器、排水管、溢流管离心水泵扬程11.7m,流量7.5rrP/h,电动机功率0.75kW电加热器单只功率1500W,共备有6个,根据实际需要选择工作个数风冷冷凝机组额定制冷依7100kW,额定电压380V二级标准温度计最小刻度值0.】C

7、,景程。50C秒表智能电磁流量计测H精度0.01S口移025,测量范围0.1817.66m2蒸发号3沮度汁4第环水泵5U形曜埋管6泡计7风冷冷联机烙（顿拟冬寮工R）8电DaVO个，模拟史筝工况）a-b.c-d连接傍段均作保湛处理/ha务，工龙20bJ学工况80123456789101112131415an*®出口Maotm/Bin口nt-出口图4工况3（冬季）谜出口温度的变化%12345®7891011121314图1测试系统原理图图5工况4（冬季）进出口温度的变化图2工况1（夏季）进出口温度的变化we/v«««*s图6夏季工况U形管单位井深换

8、热衰2测试工况及管内流速选取工况地埋管内平均流速/（m/s）流速波动范闱/（m/s）1（夏）1.26±0.072<M)0.87±0.043（冬）0.86±0.054（冬）0.55±0.03测定U形管进出口温度，结果如图25所示，实验数据记录时间间隔为10s°根据进出口温度,计算单位井深换热最Q：q=cQo£i）VoX1000.zqxW_3600人i式中Q为单位井深换热量,W/m.c为水在常温下的比热容，取4.2kj/（kg-、C）M,如分别为地埋管的进、出口温度，SV为地埋管单管水流量,m3/h；p为水的密度，取1000kg/m

9、3为地埋管的有效埋深，取102m。计算结果如图6,7所示。8070605040«K教。2.2实验测试2某项目位于武汉市武昌区，在该项目主体建筑周边钻取4口测试井，水平间隔20m呈一字排列,测试井深度均为HOm,根据地质勘测，地下30m到地面为含水量较高的土壤层，再往下为岩石层,主要是红砂岩。地埋管采用PE塑料管.内径20mm,公称壁厚2.5mm。埋管形式为双U,钻孔直径为165mm。对4口测试井分别进行了冬季和夏季工况的换热性能测试，测试基本信息如表3所示。衰3各测试井测试工况及管内流速选取测试井编号地埋管内平均演速/(m/s)夏季工况淹速波动范围/(m/s)0.960.601.14

10、0.61±0.05±0.03±0.08±0.04U形管进出口温度如图815所示，实验数据记录时间间隔为30s。试出口M81#井厦季工况进出口温度的变化30r90112*井冬季工况进出口温度的变化锵试时m/in-谖口M出口温度图123#井夏季工况进出口温度的变化图9井冬季工况进出口温度的变化图102#井夏季工况进出口温度的变化图133#井冬季工况进出口温度的变化根据各进出口温度,利用式(1)计算出单位井深换热量，结果如图1619所示。2.3数据分析将实验测试1中各工况不同设定流速条件下的测试结果进行换算后取算术平均，得到其换热强度，如表4所示。±

11、0.04±0.06±0.07±0.05图144#井豆季工况进出口温度的变化工况平均流速/（m/s）单位井深换热阿/<W/m）1（夏）1.2670.962（夏）0.8752.593（冬）0.8665.744（冬）0.5545.83图194#井U形管单位井深换热表4实验测试1结果图154尹井冬季工况进出口温度的变化34S678910II12131415工&。工况la井U形管箪位井深换热图16夏季工况冬季工况10.9656.152.820.6060.862.831.1434.146.940.6154.956.8测试井编号平均流速/（m/s）单位并深换热谶&

12、lt;（w/m）2茸井U形管单位井深挨热图17图183#井U形管单位井深换热由表4可以看出，针对同一口测试井，采取单U形竖直地埋管，夏季工况时管内流速由0.87m/s增加到1.26m/s,速度增加44.8%,地埋管单位井深换热量增加34.9%；冬季工况时管内流速由0.86m/s减小到0.55m/s时，速度减小36.0%,地埋管单位井深换热地减小30.3%.管内流速的增加，加强了地埋管与土壤间的传热，使得单位井深换热量明显增大，但换热域的增减与流速的改变没有明显的线性关系。实验测试2结果如表5所示。哀5实验测试2结果由表5可以看出，针对4口测试条件相似的测试井（间隔20m以上呈一字排列，相互的影

13、响可忽略不计）,采用双U形竖直地埋管,1,2,3,4号测试井夏季工况，当管内流速约为0.60m/s时，单位井深换热量较大，速度增加到0.96m/s时,地埋管单位井深换热量:略有浮动，流速继续增大到1.Mm/s时,单位井深换热量明显减小;冬季工况变化趋势与夏季工况基本相同。管内流速的增加，虽然能加强地埋管与土壤间的传热，但缩短了换热的时间,最终使地埋管换热量减小。对比实验测试1与2,不难发现其结果存在差异。分析差异产生的原因，首先，测试1的地质结构（TH第91页）能效比与手动测试日(关闭空调节能系统)相比有明显提高；改造后空调冷源能效比夏季平均约为3,冬季约为4.5,与改造前相比平均提高10%以

14、上。冬季由于空调冷负荷较低，冷水出水温度较高，因此冷源能效比比夏季高。该项目总投资约为280万元,按每年节省电费135万元计算，投资回收期约为2.1年；此外，该项目采用合同能源管理模式，商场业主(甲方)无需初始投资，并与空调节能公司(乙方)逐年分享节能收益，其中节能效益分享期为4年，第5年及以后商场业主不仅可获得全部节能收益(每年135万元)，并且可免费获得该节能改造项目中所投资设备的所有权，对商场业主而言具有很好的经济性。4结语针对广州某大型商场集中空调耗电虽大、管理控制水平不高等问题，对该集中空调系统进行了节能改造，增加了空调系统冷源节能集成优化管理控制系统、基于无线通讯技术的末端空调设备

15、远程监控系统及环境舒适性参数采集监测系统，实现了集中空调系统的优化运行，在保证商场供冷区域环境舒适性的同时大幅度降低了空调系统的运行能耗,解决了商场功能区域冷热不均、人流密度较大区域,【,费.【,4(上接第109页)均为红砂岩，测试2地表以下30m为土壤层，往下均为岩石层,主要为红砂岩，水文地质条件不同，测试条件不同，致使两地的测试结果有差异;其次，测试2采用双U形竖直地埋管，增大了地埋管内流速，加强了土壤与地埋管的换热强度，同时缩短了换热时间，增大了双U形地埋管热短路的程度，继而削弱了整体的换热强度。结合工程实际，地埋管内流速一般为0.60.9m/s,在这一范围内换热强度有随流速增大而升高的

16、趋势，若超出了这一范围，继续增大流速可能导致换热强度降低,与测试结果相符。3结语实验结果很好地验证了地埋管流速设定在0.60.9m/s这一范围内的合理性，在这个范围内，地埋管换热强度随流速的增大而升高，超出了这一范围，增大流速会导致换热强度的降低；换热强度随流速增大而增加的同时，水系统阻力空气质量差等问题。现场实测数据显示，该集中空调系统进行节能改造后平均节电率达28.4%,每年节省电费135万元以上，投资回收期约为2.1年,具有良好的节能效果及经济效益。此外，该节能改造项目采用合同能源管理模式，商场业主无需初始投资，并且与空调节能公司逐年分享节能收益,对商场业主而言有很好的经济性。参考文献：

17、1 薛志峰，江亿.北京市大型公共建筑用能现状与节能潜力分析W.暖通空调,2004,34(9):8-10林树枝，张杰.大型商场节能改造案例研究J.节能与绿色建筑,2012(4)：72-752 解荔珍.冰蓄冷空调系统用于商场的技术经济性研究J.暖通空调,2010,40(6)：42-44刘源全，龙雄燕.蒋新波，等.基于商场空调实际运行能耗确定空调基本设计参数暧通空调,2010,40(10):31-353 李继路，刘谨.某商场空调冷冻水大温差系统节能性分析J.节能与环保,2004(12).27-28洪晓军.商场集中空调水系统节能控制模型探讨J1制冷空调与电力机械,2009(3):11-144 赵加宁，夏喜英.商场建筑的冷负荷特点及变风最空调系统的应用J.流体机械,2002,30(10):54-56增大，水泵功耗也会增加，需要对整个系统进行经济性分析以确定增大流速是否必要。本实验主要侧重研究地埋管内流速对换热强度的影响，并未考