增强型同轴套管换热器热响应试验及换热对比分析

梅新忠 王楠 王子珑 孟德平 王华军

摘要 以3口120 m深度钻孔中的增强型同轴套管换热器、单U形和双U形地埋管换热器为研究对象，开展了现场热响应对比试验。结果表明，与原状土样的实验室测试值相比，单U形和双U形地埋管钻孔的现场测试岩土热导率分别偏高约7.3%和14.7%。增强型同轴套管换热器由于内管外侧设置了螺旋肋片，其环状槽道会不同程度增加流程长度，因此在利用线热源模型进行数据处理时需要修正计算;修正后的测试岩土热导率与U形地埋管测试结果吻合良好。就单位井深换热量而言，大小顺序如下：增强型同轴套管 > 双U形地埋管 > 单U形地埋管。

关 键 词 增强型同轴套管换热器;热响应实验;热导率;热性能

中图分类号 TU83     文献标志码 A

Abstract By using an enhanced coaxial heat exchanger （ECHE）， single-U and double -U ground heat exchanger （GHE） in three 120m-deep boreholes as examples， in-situ thermal response tests are carried out and compared. Results show that the test ground thermal conductivity of single-U and double-U GHE is higher by 7.3 % and 14.7 % compared with the laboratory measurement value of undisturbed soil samples from drilling. For the ECHE， spiral fins are installed on the outside wall of the inner pipe to form a series of continuous channels， thereby increasing the actual flow distance to different extent， and modification of the data is necessary when using the linear heat source model. After the depth modification， the test ground thermal conductivity of ECHE is in good agreement with that of U-shaped GHEs. The order of the heat transfer rate per the borehole depth is as follows： ECHE > double-U GHE > single-U GHE.

Key words enhanced coaxial heat exchanger; thermal response test; thermal conductivity; thermal performance

0 引言

近年來，以地埋管换热器为核心的土壤源热泵广泛应用于各类建筑空调和采暖系统，成为可再生能源建筑应用领域的典型技术手段。国内外研究人员围绕地埋管与周围岩土体的传热性能强化问题先后开展了大量的理论与实验工作。目前，强化传热的努力方向主要包括改善回填材料性能、利用含水层流动、优化换热器结构等方面[1-3]。

同轴套管换热器是竖直地埋管换热器的典型形式之一，与U形管地埋管相比，其应用虽然偏少，但近年来发展速度较快[4]。就同轴套管换热器的实际性能而言，学术界仍存在一些争议。例如，Wood等[5]测试表明，普通的同轴套管换热器并不比传统的U形地埋管更有性能优势。Zanchini等[6]计算表明，降低同轴套管内管热导率可以显著改善整体换热性能。Raymond等[7]计算表明，通过改善同轴套管中外管材质的热导率，可以获得优于单U形地埋管的换热性能。在前人研究基础上，作者单位提出了一种新的同轴套管换热器结构形式，称为“增强型同轴套管换热器（ECHE）”，其核心在于内管外壁上敷设了周期性的螺旋环肋片，从而达到强化流体与外管传热的目的。与此同时，还对内管进行了必要的隔热处理，进一步降低内外管之间的热短路损失。基于上述背景，本文拟以增强型同轴套管换热器为例开展热响应试验，并与单/双U形地埋管以及原状土样实验室分析结果进行综合对比，旨在为进一步改进换热器结构以及地源热泵室外埋管系统的设计与优化提供一定的参考依据。

1 试验部分

1.1 钻孔及换热器

测试地点为于河北省邯郸市黄粱梦镇，钻孔数量为3口（勘查孔标准），井径为200 mm，井间距为10 m，深度均为120 m，其中分别安装增强型同轴套管换热器、单U形地埋管换热器和双U形地埋管换热器，采用细砂密实回填。U形地埋管材质均为高密度聚乙烯管（HDPE，DN32规格）。增强型同轴套管换热器外管采用钢制石油套管，外/内径分别为127 mm/115 mm;内管由DN50规格的PVC材质直管和增强管热熔连接组成，其中每段增强管（图1）长度为40 cm，上覆螺旋环肋片，环肋厚度和高度分别为2 mm和23.5 mm，螺旋上升角为20°，螺距为50 mm。直管段和增强管段呈交替连接方式，两段增强管之间相距1.6 m。

1.2 地层状况

根据钻孔野外编录描述，试验地点120 m深度范围内均属于第四系地层，其中黏质岩土主要由黏土、粉质黏土、粉土等组成，其中粉土主要分布如下：9.8～10.9 m、33.9～36.2 m、41.6～45.4 m、73.0～73.7 m、80.2～82.0 m、66.2～67.3 m、112.2～114.7 m，累计厚度为13.3 m;砂质岩土主要由粉砂和细砂组成，主要分布如下：10.9～16.5 m（细砂）、25.4～27.0 m（粉砂）、36.2～37.0 m（细砂）、43.0～44.6 m（粉砂）、75.6～77.1 m（粉砂）、82.0～83.7 m（粉砂）、96.3～106.1 m（细砂），累计厚度为22.6 m。钻孔过程对原状土样进行了取芯，然后送往实验室进行物理性质测试[8]。对于砂层，由于钻孔扰动较大，未取得原状土样（扰动样）。取样数量共计10件，岩性以粉质黏土、粉土为主。

1.3 试验数据处理

热响应试验采用自行研制的测试装置（图2），其中最大加热和制冷功率分别为24 kW和9 kW，温度和流量分别采用Pt100热电阻和电磁流量计测量，精度分别为0.1 ℃和0.01 m3/h，相关数据由计算机自动采集完成，每组工况测试时间为48～50 h。初始地温通过空转循环获得。试验结果处理采用国家标准《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366—2009）建议的线热源模型方法，即在一定条件下，地下换热器进出口流体平均温度随对数时间变化可满足以下模型：

式中：[tf]为进出口流体算术平均温度（℃）;[q]为平均换热动率（W）;[λ]为岩土平均热导率（W/m·K）;[L]为有效深度（m）;[α]为岩土热扩散率（m2/s）;[rb]为钻孔半径（m）;[to]为初始地温（℃）;[γ]为欧拉常數（[γ]= 0.577 2）;[ln（τ）]为对数时间。对于[τ≥5r2b/α]，式（1）的最大误差可以控制在2%以内[8]。

地下换热器的平均换热功率[q]计算为

式中：[G]为循环流量（kg/s）;[cp]为水的比热容（kJ/（kg[∙]K））;[t1]和[t2]分别为进出口水温（℃）。

通过线性拟合可以获得[tf]-[ln（t）]曲线的线性变化斜率[k]，从而计算出岩土平均热导率

2 结果与讨论

2.1 土样测试结果分析

室内测试结果表明，原状土样的自然密度在1 900～2 200 kg/m3，饱和度均大于90%，其中黏土和粉质黏土热导率为1.17～1.32 W/（m·K），粉土热导率为1.73～1.89 W/（m·K）。砂质土样由于扰动较大，已不能反映原始状态，故参考以往地质调查工作的结果，取平均值2.25 ± 0.15 W/（m·K）。结合各地层深度，按照加权平均原则，可以获得120 m深度范围内地层的平均热导率，即1.50 ± 0.03 W/（m·K）。实际上，由于样品水分损失以及忽略地下水渗流影响，上述热导率可以视为一个下限数值。

2.2 热响应试验结果对比

图3和图4分别给出了单U形和双U形地埋管的热响应试验曲线，其中施加功率和循环流量分别为6.8 kW和1.57 m3/h，计算深度取120 m。经过近50 h运行，地埋管与周围岩土换热逐渐达到相对平稳状态，地埋管进出水温度也基本处于平稳。对于单U形地埋管，进出水温度分别为36.7 ℃和33.0 ℃;对于双U形地埋管，进出水温度分别为33.3 ℃和29.6 ℃。根据计算，单U孔和双U孔的岩土热导率测试值分别1.61 W/（m·K）和1.72 W/（m·K）。若以1.50 W/（m·K）为基准，上述测试结果分别偏高7.3%和14.7%，前者相对偏差更小一些。

图5给出了不同工况下增强型同轴套管的热响应试验曲线，其中施加功率分别为17.5 kW和21.4 kW，循环流量分别为6.73 m3/h和8.24 m3/h，循环方式为外管流进、内管流出。可以看出，运行50 h左右时，增强型同轴套管的进出水温度分别为35.3 ℃/33.0 ℃（17.5 kW）和38.1 ℃/36.1 ℃（21.4 kW）。值得注意的是，对于增强型同轴套管，若计算深度取120 m，岩土热导率测试值分别为3.26 W/（m·K）和2.92 W/（m·K）。很显然，此测试结果已经远远偏离正常测试值，这一点与常规同轴套管换热器有很大差异[9]。实际上，对于增强型同轴套管，由于内管外侧设置了螺旋环肋片，从而形成人工环状流动槽道，这在一定程度上增加了流程长度，强化了换热，使得轴向方向上热流不均衡，有所偏离理想的线热源模型。若忽略此因素，会造成单位井深换热量偏大，进而导致测试结果偏大，甚至不可信。因此，本文采取修正计算深度的方法来对岩土热导率计算进行修正处理。增强型同轴套管的沿程流动长度可以通过管径、肋片高度、肋片厚度、螺距等几何尺寸来进行计算[10]。对于本次试验中的增强型同轴套管结构形式，计算流程长度为215.5 m。以此特征尺度为依据，岩土热导率测试值分别为1.81 W/（m·K）和1.63 W/（m·K），平均值为1.72 W/（m·K），与上述单U孔和双U孔的岩土热导率测试值吻合良好。表1进一步汇总了全部热响应试验结果，其中4组试验的热导率平均值为1.69 W/（m·K），与室内土样测试结果1.50 ± 0.03 W/（m·K）相比，偏高约12.7%，基本能够满足地源热泵工程设计和应用的精度要求。

2.3 换热性能综合对比

图6给出了不同地下换热器单位井深换热量随管内流体平均温度的变化曲线。可以看出，在地下换热器正常工作范围（5～40 ℃）内，单位井深换热量与管内流体平均温度呈线性变化规律，其斜率大小可反映地下换热性能。就整体换热能力而言，大小顺序如下：增强型同轴套管>双U形地埋管>单U形地埋管。对于典型的排热工况（以流体温度30 ℃为例，流量为1.56 m3/h），单U形和双U形地埋管换热量分别为40.0 W/m和50.5 W/m，后者偏高26.3%;对于典型的取热工况（以流体温度7 ℃为例，流量为1.57 m3/h），单U形和双U形地埋管换热量分别为38.2 W/m和49.6 W/m，后者偏高29.8%，这符合黏-粉-砂质地层条件下地埋管的换热能力。相比之下，相同排热工况下（流体温度30 ℃，流量为6～8 m3/h）的增强型同轴套管换热量为103.7 W/m，分别是单U形和双U形地埋管的2.59倍和2.05倍。《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366—2005）建议，夏季地埋管出口温度不宜高于33 ℃。若以此为依据，增强型同轴套管换热量为137.7 W/m，分别是单U形和双U形地埋管的2.57倍和2.03倍。对于本试验中的双U形地埋管和增强型同轴套管，其外管壁与周围岩土的总接触面积理论上是基本接近的，分别为480πd1和120πd2，其中d1和d2分别取0.032 m和0.127 m。但是，后者换热能力优势较为明显，在实际应用中可以一定程度上缓解U形地埋管群占地面积较大的问题。需要特别说明的是，由于目前测试装置制冷功率有限，暂无法全面开展增强型同轴套管换热器的取热能力试验（如 5～8 ℃），这部分工作还有待于今后进一步改进。此外，对于增强型同轴套管换热器而言，尽管换热性能得到强化，但同时也增加了一定的流动阻力。如何在强化换热与减小阻力之间寻优将会是下一步的主要努力方向。

3 结论

对邯郸地区3口120 m深度钻孔中的增强型同轴套管换热器、单U形和双U形地埋管换热器为对象，开展了现场热响应试验与室内原状岩土样品测试，主要结果如下：

1）由于样品内部水分损失及忽略地下水渗流影响，钻孔取芯土样的实验室热导率分析结果可以视为一个下限数值。与室内结果相比，单U形和双U形地埋管钻孔的现场测试岩土热导率分别偏高7.3%和14.7%。

2）增强型同轴套管换热器由于内管外侧设置了螺旋肋片，其环状槽道会不同程度增加实际流程，轴向热流不均衡，偏离理想的线热源模型。因此在利用线热源模型计算岩土热导率时需要进行修正计算，修正后的岩土热导率与U形地埋管测试结果吻合良好。

3）就单位井深换热量而言，大小顺序如下：增强型同轴套管>双U形地埋管>单U形地埋管。在典型排热工况条件下，增强型同轴套管换热量可达到单U形和双U形地埋管的2.6倍和2.0倍。

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[责任编辑 田 丰]