不同工况流速对地埋管换热器影响的实验研究

不同工况流速对地埋管换热器影响的实验研究张阳（天津大学建筑设计研究院，天津300373）摘要：利用地源热泵综合实验台进行实验，测定土壤初始温度、土壤热导率和地埋管换热器换热量。分析流速对地埋管换热器流动阻力和换热的影响。综合考虑换热量、进出口温差、压力损失，单U25、单U32、单U40、双U25、双U32、双U40地埋管换热器的最佳管内流速范围分别为0.5〜0.7m/s、0.4~0.6m/s、0.4〜0.5m/s、0.4~0.5m/s、0.4〜0.5m/s、0.3〜0.4m/so关键词：地埋管换热器；单位长度钻孔换热量；最佳流速范围；热响应实验中图分类号：TU833+.3文献标志码：B文章编号：1000-4416（2016）07-0A04-06收稿日期：收稿日期：2015-07-06；修回日期：2015-12-25作者简介:张阳，男，高级工程师，本科，从事暖通空调设计工作。地埋管换热器"-2）是地源热泵系统的重要组成部分，在影响地埋管换热器传热和输送能耗的众多因素中，流速是相对重要的一项⑶，而大多研究没有给出不同形式地埋管换热器对应的最佳设计流速范围。在系统的实际设计过程中，往往通过经验确定,缺少科学性，因此确定不同形式和参数下地埋管换热器的最佳流速范围对实际工程有重要价值。1实验数据测量方法及结果分析本实验台主要由U形地埋管换热器换热系统、水源热泵机组和风机盘管组成,该系统一共有6个（不含热响应实验钻孔）钻孔，钻孔深100m,直径50cm。制冷量为15kW,制热量为18kW,地埋管换热器管材采用高密度聚乙烯管，各地埋管换热器并联连接,相邻钻孔间距5mo通过阀门的切换实现冬夏工况的转换。1.1土壤初始温度的测量本文采用在U形管外壁不同深度布置温度传感器法测量土壤温度。综合考虑本实验温度变化的特点以及系统设计的便利性，选用热电阻作为温度测量的传感器。由于钻孔经过地下水层，施工过程中,4个钻孔内用来埋设热电阻传感器及其测温电线的塑料管中有泥水流出，其中2、3号钻孔泥水最多。在1〜4号钻孔内各布置7个测点，第一个测点距离钻孔口10m,以后每隔15m布置一个PtlOOO钳电阻温度传感器（测量误差为±。・。1丁），实验测得的1~4号钻孔不同测点土壤温度见图1。由图1可以看出,4个钻孔的温度变化趋势基本一致。在土壤变温层10-25m内温度呈下降趋势但下降幅度很小，该层受环境温度变化的影响;2号钻孔55m处以及3号钻孔70m处，温度出现较大的波动,该处的温度比两侧测点的温度低。可能是由于地下水的存在，使得铝电阻泡在水中导致温度偏低。除2号钻孔外，土壤深度达到50m以上

55It5It—钻孔1♦钻孔2—-钻孔3*5It—钻孔1♦钻孔2—-钻孔3*钻孔4102540557085100测点埋深/m图11~4号钻孔不同测点土壤温度时,温度呈现明显的增加趋势。将各个钻孔沿深度方向的温度求得算术平均值，再将4个钻孔的温度算术平均值再平均，可得土壤初始温度为15.5龙。热响应实验⑷测试时间为2013年7月15日至2013年7月30日，钻孔为1孑L,地埋管换热器为DN32mm双U形，钻孔直径为150mm,钻孔深度为120m,采用的回填材料为碎石屑，人工回填操作，回填密实。为使地埋管换热器周围的土壤温度基本恢复至未受扰动前的状态,钻孔回填完成72h后进行测试。在岩土热响应实验中，在不开启加热装置或制冷装置的情况下，仅通过开启循环水泵维持地埋管换热器中流体处于不断流动状态，待地埋管换热器进出口水温趋于相等或存在一个很小的温差(通常为0.1Y)时,可认为此状态下的地埋管换热器进出口平均温度为土壤初始温度⑶。钻孔土壤平均初始温度测试结果见图2。可以看出，经过无载荷循环以后，地层的初始温度稳定为15.4ro图2钻孔土壤平均初始温度测试结果温度传感器所测温度为15.5乞，与岩土热响应实验所得温度相比，二者所测数据十分接近。另外,根据文献［6］,得到天津市典型气象年年平均温度12.8P。土壤恒温带的温度高于年平均温度2~5可以推断实验结果可靠。1.2土壤平均热导率的测定在热响应实验中，现场采集部分回填材料做实验室分析,碎石屑平均直径约为1〜10mm,密度为2035kg/m3,平均比定压热容为785J/(kg•K),热导率为2.43W/(m-K)o通常情况F,地埋管换热器内循环流体温度为20-35乞和5〜10ro根据实验装置的调节范围,分别进行两组热响应实验，为实验I、U,每组实验包含取热、排热两个工况。得到两组实验地埋管换热器稳定状态进出□水温及单位长度钻孔换热量，见表1。表1两组实验地埋管换热器稳定状态进出口水温及单位长度钻孔换热量实验工况进口水温/龙出口水温/乞换热量/(W・m")取热工况17.710.1-34.0排热工况I25.722.150.5取热工况n6.19.3-45.0排热工况n21.819.630.5根据所测试的数据，可以得出单位长度钻孔换热量随管内流体平均温度的变化关系见图3。二者之间成线性关系，相同工况流体平均温度越高越有利于换热,与理论分析吻合良好。—601111151015202530流体平•均温度/P图3单位长度钻孔换热量随管内流体平均温度的变化关系通常情况下，热响应实验至少应包含两个不同的测试工况，测试工况的实际数量取决于线性方程的回归系数肥,根据实际情况分析，本文推荐If应不小于0.9,否则应增加测试工况。由图3可得，拟合方程的回归系数为0.9993,表明曲线拟合质量很高。该曲线斜率为5.616,一般情况下，曲线斜率越大土壤的导热性能越好。根据文献［7］中提出的二维有限长线热源模型及测试数据，可得到土壤的平均热导率为1.83W/(m-K)o本实验条件下，钻孔

的换热量变化规律满足式（1）:q=5.6164-85.364（1）式中q——单位长度钻孔换热量,W/m4―流体平均温度，乞2流速对流动阻力及换热的影响本文主要分析夏季工况、冬季工况流速对地埋管换热性能的影响,夏季工况测试时间为2013年8月10日至2013年8月30日，冬季工况测试时间为2013年12月15日至2014年1月5日。实验控制的流速分别为。.2m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s、0.6m/s、0.7m/s、0.8m/s、1.0m/s、1.2m/s、l.4m/so夏季工况雷诺数约为4700~45000,冬季工况雷诺数约为3000~27000,管内流体流态从过渡流上升到旺盛湍流，能够全面地反映不同流态的流动与换热规律。2.1流速对流动阻力的影响以钻孔深度为1。0m,直径为25mm的单U管为例进行测试发现，管内流动阻力实测值与理论值随流速的变化见图4。250r■u180^0505211+理论值—实测值0.20.30.40.5■u180^0505211+理论值—实测值0.20.30.40.50.6进口速度0.81.01.2由图4可知，管内阻力随流速的增大而增大，阻力的实测值与理论值随流速的变化趋势一致。理论计算时未考虑弯管处的局部阻力，因此实测值比理论值略大。当流速小于0.8m/s时,管内阻力的增幅较小，当流速大于0.8m/s时，管内阻力随流速的增加急剧增大。因此仅从减小阻力的角度考虑，管内流速应小于0.8m/s。2.2流速对换热效果的影响单U25地埋管换热器夏季工况时,进口水温设定为30地埋管换热器连续运行48h,不同流速单U25进出口温差与运行时间的关系见图5（单U25指地埋管为单U形,地埋管公称管径为25mm,其他表示与此类似），不同流速单U25单位长度钻孔换热量与运行时间的关系见图6。16一*~流速为0.2m/s"*-•流速为0.4m/s流速为0-6nVs••流速为0.8WsTf-流速为1.0泓一*—流速为12m/s流速为1.4m/s16104、一«°L■A]—■1I——1I048121620242832364044484、一«运行时间/h图5不同流速单U25进出口温差与运行时间的关系1201008060402081216202428323612010080604020812162024283236404448运行时间/h一*一流速为1.4m/s流速为1.2m/s流速为1.0m/s~♦"流速为0.8m/sT—流速为0.6m/s流速为0.4m/s流速为0.2m/s运行时间的关系由图5、6可知，运行初期,进出口温差及单位长度钻孔换热量均变化较大,随着运行时间的增加,进出口温差及单位长度钻孔换热量变化很小，整个换热过程趋于稳定。流速越大,开始阶段的换热量变化越剧烈，趋于稳定所需要的时间越长。由图5可以看出，随着流速的增大，进出口温差逐渐减小。进出口温差的变化幅度随流速的增长逐渐变小，当流速大于1-0m/s时，进出口温差的减小幅度较小。单位长度钻孔换热量随着流速的增加而增加,如图6所示。流速的增大促进了地埋管换热器与周围土壤的换热，增大了换热量。很显然，当流速由0.2m/s增加到0.4m/s时，单位长度钻孔换热量有一个较大的提高，增幅为45.13%。随着流速的增加,单位长度钻孔换热量的增加幅度逐渐放缓，当流速由0.6m/s增加到0.8m/s时,增幅仅为7.1%。双U25地埋管换热器对于双U25地埋管换热器，进出口温差及单位长度钻孔换热量随运行时间的变化趋势与单U形地埋管换热器基本一致。不同流速双U25进出口温差与运行时间的关系见图7,不同流速双U25单位长度钻孔换热量与运行时间的关系见图8。

不同流速双U25不同流速双U25进出口温差与运行时间的关系不同流速双U25进出口温差与运行时间的关系22018014010060**«*不同流速双U25进出口温差与运行时间的关系22018014010060**«*—流速为0.2m/s*-流速为。.4m/sT—流速为0.6m/s流速为0.8m/s—流速为1.0ni/s-•―流速为1.2m/s流速为1.4m/s20*1'*1'11111*04812162024283236404448运行时间/hoo4812162024283236404448运行时间/h流速为0.2m/s*■流速为o4812162024283236404448运行时间/h流速为0.2m/s*■流速为0.4m/s——流速为0.6m/s流速为0.8m/s流速为1.0m/s—•—流速为1.2m/s流速为1.4m/s48408162432运行时间/h2725327由图7、8可以看出，对于双U25地埋管换热器，当流速大于0.8rn/sU寸,进出口温差的减小幅度较小。与单U25一致，当流速由0.2m/s增加到0.4m/s时，单位长度钻孔换热量有一个较大的提高，增幅为31.8%。当流速由0.6m/s增加到1.4m/s时，双U25单位长度钻孔换热量仅增加了6.05W/m,增幅为10%o对于双U25而言，当流速大于0.6m/s时,单位长度钻孔换热量随流速增加的潜力不大。单U25、双U25地埋管换热器的比较夏季工况下，不同流速单U25与双U25地埋管出口温度与运行时间的关系见图9（图中“单-0.3”表示单U25管内流体流速为0.3m/s,其他编号含义依此类推），不同流速单U25与双U25地埋管单位长度钻孔换热量与运行时间的关系见图10。对于单U25地埋管换热器，运行达到稳定状态后，在流速为。.3m/s.0.6m/s、0.8m/s时，出口温度分别为21.47Y、24.52龙、25.63单位长度钻孔换热量分别为33.68W/m、43.25W/m、46.05W/mo对于双U25地埋管换热器，运行达到稳定状态后，在流速为0.3m/s、0.4m/s、0.6m/s时,运行稳定后出口温度分别为23.95.25.05无、26.42单位长度钻孔换热量分别为47.82W/m、52.09图9不同流速单U25与双U25地埋管出口温度

与运行时间的关系(-M•(-M•法)斐位H胡婪平以<(-M•法)斐位H胡婪平以<图10不同流速单(-M•法)斐位H胡婪平以<W/m、56.56W/m。显然，钻孔流量相同情况下，即单U25流速为双U25的2倍时，单U25地埋管换热器出口温度分别比双U25平均高0.58Y,单位长度钻孔换热量比双U25平均低10.5%。当单U25管内流速与双U25相同时，单U25地埋管换热器出口温度分别比双U25平均低2.19乞，单位长度钻孔换热量比双U25平均低26.5%，换热量并未随流量增加而成比例增加，原因是在一个狭小的空间中布置两组U形管所造成的热回流现象明显高于布置一组U形管，增加了热损失。无论是单U25还是双U25,换热量并不随流速的增加呈定比例的增加，但流动阻力随着流速的增加呈现较大幅度的攀升，因此，地埋管换热器运行过程中必然存在最优流速,使得换热器性能达到最优。通过本节的分析,给出了管内流速的一个粗略范围,为进一步研究不同管径最佳管内流速提供依据。2.3不同管径最佳流速的选取冬季、夏季工况下，地埋管换热器连续运行48h,单U管、双U管单位长度钻孔换热量及进出口温差随流速的变化见图11、12。可以看出，在不同的运行工况下,单位长度钻孔换热量及进出口温差随着流速的增加，变化趋势基

♦进出口温差（夏季）单U32・进出口温差（冬季）单。32♦进出口温差（冬季）单U40♦进出口温差（夏季）单U32・进出口温差（冬季）单。32♦进出口温差（冬季）单U40—-进出口温差（夏季）单U4Or20505黑nlsSFO-单位长度钻孔换热量（冬季）单U32—单位长度钻孔换热量（夏季）单U40-X-单位长度钻孔换热量（冬季）单U25,单位长度钻孔换热量（夏季）单U32—单位长度钻孔换热址（冬季）单U40图11单U管单位长度钻孔换热量及进出口

温差随流速的变化2051050G褊邑-HSI进出口温差（夏季）双U40进出曰温差（冬季）XXU40♦进出口温差（冬季）双U322051050G褊邑-HSI进出口温差（夏季）双U40进出曰温差（冬季）XXU40♦进出口温差（冬季）双U32-o-进出口温差（夏季）双U25进出门温差（夏季）双U32进出口温差（冬季）双U25,单位长度钻孔换热量（夏季）双U40*单位长度钻孔换热夏季）双U32单位K度钻孔换热量（夏季）双U25单位长度钻孔换热妹（冬季）双U40*单位长度钻孔换热量（冬季）双U32单位K度钻孔换热扯（冬季）双U256rE・M)、骂唆鳏H^ewe科70605040302010温差随流速的变化本一致。在较低流速范围内换热量会有相对较大幅度的提升，而随着速度的增加，增长幅度趋于平缓,而且冬季工况下单位长度钻孔换热量及进出口温差随流速的变化趋势与夏季工况一致。以单U25为例,夏季工况下,流速由0.4m/s增加到0.5m/s,单位长度钻孔换热量增加了7.8%,进出口温差降低了0.99勾；当流速由0.7m/s增加到0.8m/s,单位长度钻孔换热量增加了2.7%,进出口温差降低了0.49冬季工况下，流速由0.4m/s增加到0.5m/s,进出口温差降低了0.72Y；当流速由0.7m/s增加到0.8m/s,进出口温差降低了0.36o对于双U25而言，夏季工况下，流速由0.3m/s增加到0.4m/s,单位长度钻孔换热量增加了8.9%,进出口温差降低了1.1丁；当流速由0.5in/s增加到0.6m/s,单位长度钻孔换热量增加了3.3%,进出口温差降低了0.58幻。冬季工况下,流速由0.3m/s增加到0.4m/s,进出曰温差降低了0.8当流速由0.5m/s增加到0.6m/s,进出口温差降低了0.42乞。随着流速的增大，进出口温差逐渐减小。进口流速的增加使得流体与管壁间的表面传热系数增大，但流体在管内停留的时间随着流速的增大逐渐减小，使得流体与土壤间换热不够充分，从而导致进出口温差减小O管内流体流速太高会造成进出口温差过低，影响热泵机组的运行效率，也会造成泵的选型过大，增大运行能耗;但流速太低又会造成单位长度钻孔换热量偏低,导致同等负荷条件下钻孔数量增多，显著增加造价[8-9]o综合考虑换热量、进出口温差、压力损失，不同管径及不同地埋管换热器形式的最佳管内流速范围见表2。地埋管换热器形式最佳流速范围/（m・si）单U250.5~0.7单U320.4~0.6单U400.4〜地埋管换热器形式最佳流速范围/（m・si）单U250.5~0.7单U320.4~0.6单U400.4〜0.5双U250.4~0.5双U320.4~0.5双U400.3-0.4表2不同管径及不同地埋管换热器形式的最佳管内流速范围3结论进行了两个排热工况、两个取热工况的测

试工作，根据测试数据拟合出单位长度钻孔换热量随流体平均温度的方程式。根据已有模型结合实验数据,计算出土壤的平均热导率为1.83W/(m•K)o在进口温度、管径及钻孔深度一定的情况下，无论是单U形管还是双U形管,换热量并不随着流速的增加呈现定比例的增加趋势，均在管内流速由0.2m/s增加到0.4m/s时有一个较大的增幅，之后增长幅度逐渐变小;而流动阻力随着流速的增加呈现较大幅度的攀升，当管内流速大于0.8m/s时，随着流速的增加,管内阻力急剧增大。在一个狭小的空间中布置两组U形管所造成的热回流现象明显高于布置一组U形管，增加了热损失。综合考虑换热量、进出口温差、压力损失,单U25、单U32、单U40、双U25、双U32、双U40地埋管换热器的最佳管内流速范围分别为0.5~0.7m/s、0.4~0.6m/s、0.4~0.5m/s、O.4~0.5m/s、0.4~0.5m/s、0.3~0.4m/s。参考文献：刘希臣，肖益民,付祥钊.不同形式地埋管换热器换热性能数值计算分析[J].煤气与热力,2013,33(2)：A08-All.於仲义，胡平放，胡磊，等.竖直U形地埋管换热器传热特性实验研究[J].煤气与热力,2008,28(10)：A04-A07.谢武刚.垂直地埋管换热器土壤温度场数值模拟及实验研究(硕士学位论文)[D].长沙：长沙理工大学,2012：9-11.黄珂，卢垠，张丽英，等.岩土热响应试验最短持续时间的确定[J].煤气与热力,2012,32(12)：A01-A04,A18.关鹏，段新胜.地源热泵岩土体初始温度确定方法的

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