复合材质地埋管换热器匹配参数设计及应用性能比较

申 思,李秀英,梁 艳

(西安思源学院 理工学院,陕西 西安 710038)

地源热泵是一种利用地热能为建筑提供制冷、供暖和热水的节能技术,具有高效、环保、安全、稳定等优点,已经在全球范围内得到了广泛的应用和推广[1-2]。地埋管换热器是地源热泵系统的重要组成部分,它是连接地热能和热泵机组的媒介,地埋管换热器的热交换效率影响着地源热泵系统的能量利用率和经济性[3-5]。通过设计和施工优化地埋管换热器,增强其换热能力,减少其投入,对于推动地源热泵技术在建筑节能领域的应用具有重要作用。

目前,国内外对于地埋管换热器的研究主要涉及以下几个方面:①地埋管换热器的传热机理和数值模拟[6]。通过构建数学模型,探讨影响地埋管换热器传热性能的各种参数,如土壤温度、湿度、导热系数、渗透率、回填材料、流体流量、进出口温度等,并与实验数据进行验证和对比。②地埋管换热器的设计方法和优化措施[7]。通过采用不同的设计方法,如传统的线性源法、圆柱源法、有限线源法等,或者采用不同的优化措施,如改变地埋管形式、布置方式、间距、深度等,来提高地埋管换热器的单位井深换热量和系统性能系数。③地埋管换热器的施工工艺和质量控制[8]。通过采用不同的施工工艺,如钻孔方法、回填材料选择、回填密实度检测等,用以确保地埋管换热器的工程性能和可靠性。

本文设计了一种新型地埋管换热器,采用复合管材代替传统的高密度聚乙烯管材,分析了不同地质条件下该换热器相对于传统换热器的换热性能提升,并分析了2种换热器在不同回填材料和极端工况下的换热性能,为后续复合管材的经济性评价提供支持。本文可为高校地埋管换热器的设计选型和节能优化提供参考依据。

1 复合管材换热器特性分析

1.1 复合管材换热器设计思路

管壁热阻是指热量在管道壁内传递时所遇到的阻力,受管壁材料的导热系数和壁厚的制约。目前广泛采用的管壁材料有聚乙烯管(PE)、聚氯乙烯管(PVC)、铝塑管(PAP),但这些材料的导热系数都不高;而金属管道的热导率远高于PE管。由于金属的承压性能远优于PE管,采用金属管道时可显著降低壁厚,但金属管道容易受到腐蚀。因此,不能单纯使用金属,这里拟用复合管材,外层为PE管起到保护作用,内层为金属管用于承受压力。其中金属相关的热物性参数如表1所示。

表1 金属热物性参数Tab.1 Metal thermophysical properties parameters

1.2 复合管材换热器壁厚计算

依据GB/T 150.1—2011《压力容器第1部分:通用要求》的设计原则,地埋管道的壁厚的计算公式:

式中:δ为计算壁厚,m;pc为计算压力,MPa;D0为圆管外径,m;[σ]t为材料许用应力,MPa;φ为焊接接头系数。

本文对10#钢、20#钢、碳素钢和不锈钢的管道设计应力进行了比较研究,采用焊接质量系数为0.8。根据管道承压计算公式,得到工作压力为1.0、1.25和1.6 MPa时管道设计壁厚,结果如表2所示。

表2 材料许用应力与管壁厚度Tab.2 Material allowable stress and pipe wall thickness

防腐涂层的膜厚很低,对设计壁厚的影响可不考虑。对于前述计算结果,取其工作压力最高时的厚度并按标准尺寸比向上取整,如工作压力为1.6 MPa时10#钢的设计壁厚为0.205 mm,取值为0.25 mm;具体计算结果如表3所示。表3显示使用符合管材时,管壁的热阻远小于对流换热的热阻,可忽略不计。

表3 复合管材管壁热阻Tab.3 Thermal resistance of composite pipe wall

2 复合管材地埋管换热器性能比较

本文通过建立地埋管换热器三维模型,通过数值计算分析了不同地质环境、不同回填材料以及极端工况下复合管材和PE管材作为地埋管换热器系统的性能对比。

2.1 不同地质条件下两种换热器性能比较

比较2种换热器在不同土壤导热系数下性能,选取了4种不同的土壤热物性参数进行模拟,导热系数分别为1.5、2.0、2.5、3.0 W/(m·K),其中土壤密度和比热容分别为1 900 kg/m3和1.800 kJ/(kg·K)。回填材料的导热系数、密度和比热容分别为1.5 W/(m·K)、1 900 kg/m3和1.580 kJ/(kg·K)。利用这些模拟参数,对2种换热器进行了8 h/d的30 d运行模拟试验;2种换热器出口水温的平均值如图1所示。

图1 不同地质条件下2种换热器的出水温度

由图1可知,随着运行时间的增加,地埋管换热器的出口水温平均值呈现出先快速上升后逐渐趋缓的变化规律。这是因为初始土壤温度较低,地埋管运行后,土壤热量不能及时散出,导致蓄热层土壤温度持续升高,从而降低了地埋管换热器的传热效率。在地埋管入口水温一定时,地埋管换热器的出口水温随之先快后慢地增加。

此外,在运行15 d后,当土壤导热系数为1.5 W/(m·K)时采用结构壁管作为地埋管和当土壤导热系数为2.0 W/(m·K)时采用PE管作为地埋管的2种换热器的出口水温相差不大,说明2种换热器具有相似的传热性能。但在运行初期,后者的出口水温比前者高0.4 ℃,这是由于前者的管壁热阻较小,更利于冷却水向土壤输送热量。如图2所示,2种地埋管换热器的日均传热量随运行时间的增加而逐渐降低,且下降速度先快后慢,这与地埋管换热器出口水温的变化特征相吻合。

图2 不同地质条件下2种换热器的换热性能

2.2 不同回填材料时2种换热器性能比较

本文以导热系数分别为1.0、1.5、2.0和2.5 W/(m·K)的4种回填材料作为地埋管换热器的回填介质,进行模拟分析。假定回填材料和土壤的密度均为1 900 kg/m3,比热容分别为1.580、1.740 kJ/(kg·K),以此为模拟参数,对2种换热器进行了8 h/d的30 d运行模拟试验;图3显示了2种换热器地埋管出口水温的日均变化曲线。

图3 采用不同回填材料时两种换热器的出水温度

由图3可见,采用导热系数分别为1.0、1.5 W/(m·K)的复合管材和PE管作为地埋管换热器的传热元件,在连续运行30 d后,2种地埋管换热器的出水温度相差不超过0.1 ℃;这表明2种换热器在运行周期内传热性能相当。

图4显示了2种换热器在使用不同回填材料的情况下,30 d内的日平均换热量。

由图4可知,地埋管运行过程中,其换热性能逐渐降低,且呈现先降快后降慢的趋势。对于复合管材地埋管换热器,当回填材料的导热系数从1.0 W/(m·K)增到2.5 W/(m·K),每隔0.5 W/(m·K)时,单井换热器的30 d平均换热量分别为5 465.6、6 184.7、6 588.9和6 842.3 W,相比于基准情况(导热系数为1.0 W/(m·K)),30 d内的日均换热量分别提高了12.8%、6.5%和4.1%。同样,随着回填材料导热系数的增加,相同程度的导热性能提高所导致的换热器性能提高逐渐减小。针对PE管地埋管换热器,对于4种导热系数从低到高的回填材料,其单井换热器的30 d日均换热量分别为4 898.2、5 463.4、5 795.2和6 018.3 W,相比于基准情况(导热系数为1.0 W/(m·K)),30 d内的日均换热量分别增加了11.6%、6.2%和3.9%。

2.3 极端工况下2种换热器性能比较

为研究2种地埋管换热器在不同土壤和回填材料条件下的换热性能,本文考虑了2种极端的运行条件。在工况A下,土壤和回填材料都具有较高的导热性能,分别为3.80、2.42 W/(m·K);在工况B下,土壤和回填材料都具有较低的导热性能,分别为0.5、0.73 W/(m·K)。这2种导热系数的取值范围分别覆盖了土壤1和回填材料2的常见变化范围。利用数值模拟方法,计算了2种地埋管换热器在工况A和工况B下的出水温度,结果如图5所示。

由图5可知,在工况A和工况B条件下,复合管材和PE管作为地埋管换热器的传热元件时,二者的出水温度存在明显的差别,分别为5.02、4.08 ℃。这反映了2种地埋管换热器在不同土壤和回填材料条件下的换热能力差异。在工况A下,复合管材地埋管换热器的出口水温比PE管地埋管换热器低1.09 ℃,表明其具有更高的换热效率;在工况B下,使用复合管材作为地埋管换热器的传热元件时,其出水温度比使用PE管时低0.18 ℃,说明其具有更好的换热效果,但优势不明显。图6展示了2种地埋管换热器在两种极端工况下的平均换热功率。

由图6可知,使用复合管材作为地埋管换热器的传热元件时,其日平均换热功率在工况A和工况B下分别为8 830.9、3 081.3 W,比使用PE管时分别提高了16.9%和7.2%。这说明复合管材具有更优的换热性能,并且在土壤和回填材料都具有较高导热性能的工况A下,性能差距更为突出。这是由于复合管材地埋管换热器的管壁热阻较小,而土壤和回填材料的热阻较大,因此提高土壤和回填材料的导热系数对复合管材地埋管换热器的效果更为明显。

3 复合管材换热器应用经济性比较

为了评价复合管材换热器的经济性,采用年均总成本法,综合考虑换热器的设备成本、运行成本和维护成本,并与常用的石墨管换热器和不锈钢换热器进行比较。设备成本指换热器的购置费用,运行成本指换热器的能耗费用,维护成本指换热器的清洗、修理等费用。年均总成本指换热器在一定使用寿命内的平均每年总成本,计算公式为:

假设复合管材换热器、石墨管换热器和不锈钢换热器的使用寿命均为10年,各项成本数据如表4所示。

由表4可知,复合管材换热器的设备成本虽然略高于不锈钢换热器,但低于石墨管换热器;运行成本和维护成本则明显低于其他2种换热器。因此,复合管材换热器的年均总成本最低,为2.25万元/年,比石墨管换热器节省了25%,比不锈钢换热器节省了19.6%。

4 结语

(1)采用复合管材作为地埋管换热器的传热元件时,其理论热阻和模拟热阻都远低于PE管,两者的差值超过18.0%,表明复合管材具有显著的换热优势;

(2)当土壤和回填材料的导热系数增加时,复合管材的性能增益率也随之增加,均超过10%。在两种极端工况下,复合管材的日平均换热功率都比PE管高,分别高出16.8%和7.1%;

(3)根据年均总成本法,复合管材换热器的经济性最高,比石墨管换热器节省了25%,比不锈钢换热器节省了19.6%。这说明复合管材换热器具有较高的成本效益,是一种值得推广的换热设备。