196 变流量时地埋管换热器的性能评价

1、5/5变流量时地埋管换热器的性能评价华北科技学院 李琼李琼（1978.01生），女，讲师，硕士，研究方向：地源热泵通讯地址：北京东燕郊206信箱华北科技学院土木工程系建环教研室，邮政编码：101601；电话8052Email：李琼（1978.01生），女，讲师，硕士，研究方向：地源热泵通讯地址：北京东燕郊206信箱华北科技学院土木工程系建环教研室，邮政编码：101601；电话8052Email：摘要 综述了现有地埋管换热器性能的评价方法,根据变水流量时地埋管换热特点,综合考虑动量传递相似律与热量传递规律，采用单位管长换热量与泵耗功率相结合

2、的热性能评价法对地埋管换热器冬季工况时的性能作出评价。关键词地埋管换热器;变流量；性能评价 分类号TU81Prfomance Evaluaion of roun HetEcngerWen WaterVolm wasCnge Li iog， iu Hongwei, Ci Le（orth Chnanstite of Sienc ad Tecnlog)srct：This paersumazsevaluation mhs oeoraebout a exhagr。e evalation of goud heat ecner was evaluated in witr conditionby a cpre

3、nsivemetho ombnti of uittbe let fr etandump powe cnsumption， bsd on th attranserharacteristics when ater lume a hnged， nd cnsideratino momenum nfr similaty la ndat ranfr lw. Ke od：roundha excanger;aiable tervolume; peformace auton 引言地埋管换热器是地源热泵空调系统的重点和核心设备,也是地源热泵空调系统不同于传统空调系统的关键设备。地埋管换热器传热过程与通常的换热器不

4、同，它不是两种流体之间的换热,而是埋管中的流体与周围土壤间的换热。这种换热过程特殊且复杂，以往传统换热器的研究并没有现成的经验可以借鉴。目前很多学者对地埋管换热器的传热性能进行了大量的理论分析与实验研究,得出地源热泵节能的一般性结论，而对地埋管换热器的性能评价方法较单一。地埋管换热器的性能评价，大多采用单位管长换热量,重庆大学1采用有效换热率评价，这些评价方法都属于单一性能评价方法，而且是以热力学第一定律为基础的。大连理工大学3提出采用火用效率分析，虽然此方法能更准确地反映热量交换过程中能量在质的损失，在设计过程中可用火用效率来判断换热器的性能，作为进一步改善的依据，但在工程上缺乏实用性。本文

5、采用单位管长换热量与泵耗功率相结合的性能评价法,反映变流量对地埋管换热器的换热性能的影响。2地埋管换热器的性能评价方法一定结构的地埋管换热器，改变地埋管内循环水的流量后,地埋管换热器换热性能、热泵机组的性能系数以及整个热泵系统的换热能力会受到很大影响。地埋管换热器单一的性能评价法无法全面评价系统在变流量时的运行效果。地埋管换热器换热过程中的能量损失包含两个方面:一是推动流体流动达到一定速度时所消耗的动力；二是温差传热的不可逆损失。当流量减小时，可以减少泵耗功率,但此时温差传热的不可逆损失必然增加.于是本文提出了 作为评价地埋管换热性能的准则,这个准则数越大,系统性能越好。流量改变时,对此准则数

6、进行如下分析。比较定流量与变流量运行工况。地埋管换热器管内流体处于紊流状态。由传热公式得定流量与变流量的单位管长换热量分别为： (） （）可得 (3）根据管内紊流换热准则，得定流量与变流量的努谢尔特准则关联式分别为: (4) (5）式中，流体被加热时，n0.4,流体被冷却时=0。，因为一般实验范围内，普朗特准数r变化不大,故可忽略其对变流量的影响。所以变流量与定流量努谢尔特准则之比为： ()又因为 () (8）一般实验范围内,运动黏性系数变化不大，故可忽略其对变流量的影响.将式（7）和(8）代入式(6）得 （9）根据体积流量G与流速u成正比的关系，式（9）进一步得: 0）根据水泵相似律，变流量

7、与定流量的耗功率之比为: （11)将式(10)除以式（11)可得 (12)式（2）即为地埋管换热器变流量运行时的性能评价公式.只有其比值大于时，被评价的地埋管地源热泵系统才有工程应用价值,比值越大，表明地埋管地源热泵变流量的性能越好.此评价指标如果用Es表示，则 (3)3变流量对地埋管换热器的影响 根据管内对流换热的强化方法,当埋管内流体流量增加时，地埋管换热器的换热量Q随之增加，反之则减少.通过对某一地埋管换热器进行冬季工况实验研究,得出和理论分析一致的结果，如图所示。图1仅仅反映了流量变化时地埋管换热器的换热性能的变化,而流量变化后泵耗功率的变化情况则无法反映.图 地埋管换热器管内流体换热

8、量Q与G/G0的关系曲线Fig.1 Curve fTube Fuid Hearanfer Rat Q o Gnd Heat Exchaner an G/G0图2Es与/G0-。2关系曲线Fg2 urve of E and /G0-12根据式(13),/G0取不同值时得出图所示Es与G1。2关系。由图2可知当G/G01时,Es1。这一点为流量是否变化的临界点,即点。当流量变大时，G/G0增大，对应评价指标E减小；同理流量变小，G/0减小，E增大。流量变化引起的地埋管换热器换热量和泵能耗变化由一个评价指标Es表示。Es时，即减小流量运行，地埋管换热器换热效率降低，水泵能耗会相应降低，而整个地源热泵

9、系统节能显著。为验证上述理论，埋管内流体流量发生变化时，对地埋管换热器评价理论值Es由式（1）得到和实验计算值进行比较.由图3可见，理论和实验计算值基本吻合,证明本文的数学模型及方程的建立是正确的。图E理论值与实验值比较Fg.3 Cmpaio the Thoretical Vlue with xperimentl atabout E 结论1）对地埋管换热器性能评价方法进行了分析与推导,结合实验研究,证明该评价指标与实际情况较为吻合，具有一定的合理性。分析结果对地埋管换热器性能评价工作具有一定的参考价值。2）冬季工况时,地埋管换热器变流量运行，单位管长换热量与泵耗功率相结合的性能评价指标Es大于时，即减小流量运行时，地埋管换热器换热效率虽然降低，但水泵能耗也相应降低，整个地源热泵系统节能显著。3）综合考虑动量传递相似律与热量传递规律，单位管长换热量与泵耗功率相结合的性能评价指标s能够全面反映变流量运行时地埋管换热器的性能。符号说明:d-管径，m;h-变流量时埋管内表面传热系数，/(m2)；t-埋管内对流换热温差，；u埋管内流体速度,m；埋管内流体运动黏性系数，m2/s；G埋管内流体体积流量,m3/s下标0表示定流量参考文献： 陈建萍.套管式地源热泵全年运行试验研究与传热模型。硕士论文，重庆:重庆大学0。1 徐国想,邓先和，许兴友，王智金. 换热器传