蓄/取热工况套管式地埋管换热器换热特性试验研究

潘亚楠, 吴晅, 侯正芳, 金光

(内蒙古科技大学能源与环境学院, 包头 014010)

为促进“双碳”战略目标的实现,要充分开发利用清洁、可再生能源,其中地热能占据能源结构中的重要地位[1]。套管式地埋管换热器作为有效利用地热能的装置,具有节能减排的优点[2],因此研究影响套管式地埋管换热器换热性能的因素可以充分利用地热能。

地埋管具有多种类型,且影响地埋管换热器传热性能的因素较多,国内外学者对不同类型的地埋管及各种因素做了相关研究,李娟等[3]对套管式地埋管和双U形地埋管开展了岩土热响应对比试验,得出套管式地埋管换热器比双U形换热性能好。Harris等[4]使用OpenFOAM对同轴套管换热器和U形管换热器进行对比分析,得出同轴套管式换热器的外管使用钢材料时比U形管的性能提高了22%。张炳钟等[5]利用COMSOL建立三维数值U形地埋管换热器传热模型,研究得出入口流体与土壤的温差越大,土壤温度场影响范围越广。Zhu等[6]研究了新型高效同轴套管换热器,得出其热影响半径大于10 m。黄帅等[7]建立中深层套管式地埋管传热模型,研究4种不同启停比对地埋管取热特性的影响,分析得到启停比越小有利于减小热损失率。Jia等[8]设计了正交试验,得出对于不同的同轴深埋管换热器换热条件,存在最佳的保温回填深度。张哲菲等[9]建立了2 510 m深的地埋管换热器模型,数值模拟了影响地埋管取热能力的几种因素,结果表明地埋管出口温度随着进口温度的升高而升高。李泽锟等[10]基于岩土垂直分层建立单U形地埋管换热器模型进行数值模拟,得出地下含水层的实际位置是埋管的最佳埋深处。Jia等[11]建立同轴钻孔换热器模型,研究了多种因素对其换热性能的影响,得出较高的质量流量和较大的内外管半径比可以提高热效率。Liu等[12]研究了各种影响因素对中深层同轴钻孔换热器耦合地源热泵系统能效的影响,得出比传热率142 W/m流体速度0.7 m/s为较优工况。胡志高等[13]对套管式地埋管换热器换热进行数值模拟研究,得出钻孔深度一定时循环介质流速越大换热器换热能力越好。李俏楠[14]建立了地下埋深600 m土壤温度场的三维非稳态水热耦合套管式地埋管传热模型,得出周期运行后此埋深下土壤温降较大。Li等[15]对两种内管类型的同轴双管三维模型进行传热数值模拟分析,结果表明改变内管形状可提高地埋管换热器的换热能力。鲍玲玲等[16]建立中深层U形地埋管换热器传热模型研究影响其传热性能的因素,得出回填材料导热系数越大越有利于取热能力的提高。刘逸等[17]数值模拟研究了影响套管式地埋管换热器换热性能的因素,结果表明回填材料导热系数由1 W/(m·K)增加到2.5 W/(m·K)时,单位井深换热量能够提升32.4%。

以上大多为U形地埋管换热器数值模拟研究,试验研究以及套管式地埋管换热器的研究还不够,对于影响地埋管换热器换热性能的因素研究不全面,地源热泵实际运行时,不同的运行工况下套管式地埋管换热器会向周围土壤进行储热或取热,在这过程中地埋管周围土壤会存在取热量和放热量不相等的情况,进而造成土壤热量不平衡。不同运行方式运行时,会影响地埋管周围土壤温度,也会对套管式地埋管换热器换热特性产生重要影响。

为此现通过搭建套管式地埋管换热器换热特性试验台,研究竖直套管式地埋管在不同工况下周围土壤的温度变化,探究影响地埋管换热器传热特性的相关因素,为地源热泵实际运行时提高效率提供帮助。

1 试验台

以地源热泵为基础,基于动力相似、几何相似和模型律,建立了套管式地埋管换热器试验台如图1所示,组成试验台的装置主要有能量供给系统、套管式地埋管和储热容器。各项装置的详细组成、试验原理以及试验具体过程详见课题组已发表的文献[18]。

2 试验数据处理

2.1 地埋管换热器的换热量

Q=qmρCp(t′f-t″f)

(1)

式(1)中:Q为地埋管换热器的换热量,W;qm为流体体积流量,m3/s;ρ为流体密度,kg/m3;Cp为定压比热容,J/(kg·℃);t′f为流体的进口温度,℃;t″f为流体的出口温度,℃;t′f-t″f为热泵运行稳定后地埋管换热器进出口温差,℃。

2.2 地埋管换热器的单位井深换热量

地埋管周围土壤与单位钻井深度下地埋管相互传递的能量称之为单位井深换热量,评价地埋管传递热量时的换热能力[19]。

(2)

式(2)中:Q为换热量,W;H为地埋管轴向方向上的深度,m。

2.3 地埋管进出口平均温度

tm=(t′f-t″f)/2

(3)

式(3)中:t′f为流体的进口温度,℃;t″f为流体的出口温度,℃。

2.4 平均传热系数

平均传热系数定义为地埋管内部流体平均温度与周围土壤温度的差与单位井深换热量的比值,用来表示地埋管与周围土壤之间复杂传热过程。

(4)

式(4)中:q为单位井深换热量,W/m;tm为地埋管进出口平均温度,℃;t0为土壤初始温度值。

3 试验及结果分析

3.1 试验设定的相关参数

通过搭建试验台,对套管式地埋管换热器不同运行模式下传热性能影响因素进行试验研究,试验过程中的相关参数如表1所示。

表1 试验参数Table 1 Experimental parameter

3.2 试验数据分析

3.2.1 蓄热工况下运行模式对套管式地埋管传热性能影响

试验条件:外界提供恒温水浴,设定进口水温为42 ℃,流量为100 L/h,运行时间为72 h。间歇运行模式:启停比为1∶1模式下,套管式地埋管在0～12、24～36、48～60 h为蓄热阶段,套管式地埋管停机阶段12～24 、36～48、60～72 h。启停比为1∶2模式下,套管式地埋管蓄热阶段为0～12 h和36～48 h,套管式地埋管在12～36 h和48～72 h处于停机阶段。

图2分别给出了套管式地埋管换热器连续运行模式及间歇运行模式下,其进口、出口温度随着运行时间的变化规律。可以看出,在连续蓄热运行初期,地埋管进口温度和出口温度均呈现出急剧上升的趋势,分别上升到40.7 ℃和40 ℃后趋于平稳。这是由于地埋管在连续蓄热过程中管内流体的热量不断传到周围土壤中,恒温水浴给流体连续不断的热量使得温度维持恒定状态。在间歇运行模式下,地埋管的入口温度和出口温度随着运行时间的增加均呈现出急剧上升,后趋于稳定,然后急剧下降到一定值,温度再急剧上升,以此循环的周期变化。分析可知,蓄热工况下间歇运行时,蓄热阶段恒温水浴为套管式地埋管提供热量,此时进出口温度上升,停机阶段外界热源消失,地埋管内的流体温度随着时间的增加会逐渐降低。启停时间比越大,地埋管进出口温度随运行时间的下降幅度越小,反之,启停比越小地埋管进出口温度随运行时间下降幅度越大。

图2 进、出口温度随运行时间的变化Fig.2 Change of inlet and outlet temperature with running time

图3和图4给出了连续运行和间歇运行模式下,套管式地埋管附近上、中、下层不同径向距离处土壤温度的变化规律。从图3中可以看出,距离套管式地埋管径向80 mm处,连续运行模式下,随着径向距离的增加地埋管周围土壤的温度均呈现出先增加后趋于稳定的变化趋势。从图4中可得,连续运行时,距离地埋管中心105 mm处土壤温度随运行时间增加而增大。分析图3和图4可知同一分层距离套管式地埋管中心越近,周围土壤温度越高。例如运行72 h时,上层径向距离80 mm和105 mm,土壤温度分别为38.44 ℃和28.06 ℃,与土壤初始温度对比,土壤温度分别波动了26.44 ℃和16.06 ℃。套管式地埋管将一定热量传递给周围土壤后,土壤进行热量的储存,地埋管向近处土壤传递热量时范围较小,所以土壤储存热量多温度较高,传递给较远处土壤时,需要传递热量的面积较大范围较广,因此较远处土壤储存较少的热量其温度较低。套管式地埋管在间歇运行过程中,运行初期周围土壤温度急速上升,随着运行时间的增加然后下降随后又出现上升趋势然后温度再次下降,表现为周期性变化。上层径向距离105 mm处的土壤在设备运行40 h,启停比1∶1模式下土壤温升为2 ℃,启停比1∶2模式下土壤温升0.5 ℃。说明在相同径向距离下,启停比越大,周围土壤温升越大。

图3 上、中、下层80 mm处土壤温度随时间变化Fig.3 The soil temperature at the upper, middle and lower 80 mm varied with time

图4 上、中、下层105 mm处土壤温度随时间变化Fig.4 The soil temperature at the upper, middle and lower 105 mm varied with time

图5分别给出了间歇运行1∶1和间歇运行1∶2时,不同径向距离处套管式地埋管周围土壤温度随运行时间的变化。可以看出,在径向距离为80 mm处,地埋管周围土壤温度随着运行时间呈现出周期性的变化规律,间歇运行时随着径向距离的增加,土壤温度波动幅度越小。启停时间比1∶1运行72 h后,径向距离80、105、130、155 mm处的土壤温度波动分别为6.68、2.16、1.33、0.88 ℃。启停比1∶2运行72 h后,径向距离105 mm处土壤波动为0.35 ℃。由此可得,在其他条件不变的情况下,启停比越大,土壤温度波动越大,启停比越小,土壤温度波动越小。说明在蓄热过程中,套管式地埋管管内流体向近处土壤传递热量更快,向远处土壤传递慢。

图6给出了套管式地埋管换热器在连续运行和间歇运行模式下,随着运行时间单位井深换热量的变化。由图6可得,在连续运行模式下地埋管的单位井深换热量随着运行时间呈现出先急剧下降然后趋于平稳规律;间歇运行模式下,单位井深换热量随运行时间均呈现出周期性变化规律,运行初期单位井深换热量下降,然后上升最后降低,以此周期进行循环。连续运行模式下,运行2 h后单位井深换热量趋于稳定在18.9～33.2 W/m波动。套管式地埋管换热器在连续运行初期,管内流体的热量会持续传递给周围土壤,因此周围土壤的温度会不断升高,运行一段时间后管内流体与土壤之间的温差会减小,最后维持一个稳定的状态,所以单位井深换热量随着运行时间会逐渐趋于稳定;间歇运行时,管内的流体会将自身热量传递给周围土壤,当外界停止提供热量后,管内流体温度在一定时间内还处于较高的状态,因此存在温度梯度,所以热量会继续向周围土壤传递,最后地埋管进出口水温相等此时温差为零。间歇运行72 h内启停时间比1∶1时,单位井深换热量在0.25～412 W/m,启停时间比1∶2时,单位井深换热量在15.25～413 W/m。分析可知连续运行模式下套管式地埋管单位井深换热量较为平稳但是低于间歇运行的单位井深换热量,间歇运行模式下有利于土壤温度的恢复,间歇运行模式下启停比越小,单位井深换热量越大。

图6 单位井深换热量随运行时间变化Fig.6 The average quantity of heat pet meter with running time

图7为不同运行模式下,平均传热系数随运行时间的变化规律。可知,连续运行模式下套管式地埋管平均传热系数先急剧上升后下降,5 h后趋于平稳并保持稳定。间歇运行模式下平均传热系数呈现出周期性上升和下降的变化规律,并且在0～36 W/(m·℃)波动。地埋管平均传热系数与单位井深换热量成正比,运行初期管内流体与地埋管周围土壤温差较大,单位井深换热量较高,因此平均导热系数较大。间歇运行模式下平均传热系数比连续运行模式下的平均传热系数大,且启停时间比越小,平均传热系数越大。

图7 平均传热系数随运行时间变化Fig.7 The average heat transfer coefficient varies with the running

显然,地源热泵系统在实际运行时,套管式地埋管换热器最好采用间歇运行模式,此种运行下,随着其单位井深换热量的提高,地埋管周围土壤温度的波动较小,有利于土壤温度的恢复。对一些商用办公楼来说,冬季供暖时地源热泵可在白天运行,夜间停机。

3.2.2 取热工况下运行模式对套管式地埋管传热性能影响

地源热泵在实际应用时,套管式地埋管换热器不仅从周围土壤中提取热量,同样会吸收土壤中的冷量。为了研究套管式地埋管在取热工况下的传热性能,试验过程中给地埋管外部利用恒温水浴提供冷源。

试验条件:外界恒温水浴提供冷源,时间为72 h,流量为100 L/h,地埋管进口水温为10 ℃。

图8为连续运行模式下套管式地埋管不同径向距离处土壤温度随运行时间的变化。由图8可知,地埋管周围土壤温度随着运行时间的增加逐渐降低,径向距离80 mm处土壤温度在运行初期急剧下降,后逐渐趋于平稳,在径向距离155 mm处的土壤温度随运行时间变化较为平缓。运行70 h后,距离地埋管径向80、105、130、155 mm处的土壤温度分别为9.06、19.58、20.94、21.64 ℃,说明距离地埋管越近的土壤温度波动较大。外界为地埋管提供冷量时,地埋管相当于是一个冷源,进入地埋管的流体的初始温度低于土壤的初始温度,因此管内流体的温度也低于地埋管周围土壤的温度,此时周围土壤会将热量传递给地埋管,所以越接近地埋管的土壤温度变化幅度越大,地埋管对于远处的土壤影响较小,径向距离越大土壤温度变化越小。

图8 连续运行土壤温度变化Fig.8 Soil temperature change under continuous operation

图9为取热工况下,间歇运行不同启停比套管式地埋管周围土壤温度随运行时间的变化。由图9可得,间歇运行模式下距离地埋管越远处的土壤温度波动越小,启停时间比对较远处的土壤影响较小。启停比1∶1运行72 h,距离地埋管中心80、105、130 mm处的土壤温度分别在9.09～19.98、17.71～19.85、18.46～20.17 ℃波动。

图9 间歇运行土壤温度变化Fig.9 Soil temperature change under intermittent operation

图10为不同运行模式下,距离套管式地埋管中心80 mm处土壤温度随运行时间的变化。由图10可知,连续运行模式下径向距离为80 mm处的土壤温度随着运行时间的增加呈现出先急剧下降后逐渐趋于稳定的趋势;间歇运行两种模式(启停比1∶1、1∶2)下在相同径向距离处的土壤温度随着运行时间的增加均呈现出一定的周期性变化规律,地埋管周围土壤温度在运行初期急剧下降后逐渐增加,以此循环。恒温水浴为地埋管提供一段时间冷量后停止,此时套管式地埋管可以看作是一个冷源,远离地埋管的土壤温度高于近处土壤温度,因存在温度梯度,温度高处的土壤会将热量传给距离地埋管近的低温土壤,所以在间歇运行时,径向距离越小处的土壤温度会呈现出先下降后上升的规律。启停时间比为1∶1时,运行一个周期(取热12 h,停机12 h),在停机阶段,土壤温度由9.22 ℃上升到16.58 ℃,启停时间比为1∶2时,运行一个周期(取热12 h,停机24 h),在停机阶段,土壤温度由9.02 ℃上升到18.03 ℃。说明停机时间越长土壤温度恢复时间越长,经过长时间的恢复后,周围土壤温度越接近土壤初始温度,但是低于土壤初始温度。连续运行模式下周围土壤温度较稳定,但是不利于土壤的恢复。间歇运行模式下套管式地埋管运行启停比越小,土壤温度波动越大,反之,启停比越大,土壤温度的变化幅度越小。

图10 径向距离80 mm处土壤温度变化Fig.10 Soil temperature variation at radial distance of 80 mm

图11为取热工况时,不同运行模式下套管式地埋管出口水温度随运行时间的变化,从图11中可得,连续运行模式下出口水温随着运行时间先下降后趋于稳定,在运行时间0～2 h,出口水温由24.45 ℃下降到8.70 ℃,2 h之后出口水温基本保持在8.11～8.78 ℃,此阶段出口水温处于比较稳定的状态。这是由于外界恒温水浴提供冷量给地埋管,入口水温度较低,随着运行时间的增加,出口温度会随着降低,停止供冷之后出口水温会逐渐接近土壤的初始温度。间歇运行模式下,两种启停比运行时出口水温随运行时间的增加均表现出先降低后趋于平稳再增加之后急剧下降最后趋于稳定的周期性变化规律,启停比1∶1运行时,运行时间0～2 h,出口温度由20.85 ℃下降到9.05 ℃,2～12 h出口水温保持在8.40～8.94 ℃,在运行时间12～24 h,出口水温由8.40 ℃上升到17.98 ℃;间歇运行启停比1∶2模式下,在0～2 h出口水温由20.90 ℃降低到8.91 ℃,运行时间2～12 h出口温度在8.39～9.05 ℃保持稳定,12～36 h运行时间内出口温度由8.39 ℃上升到18.33 ℃,可以看出启停比越小,随着运行时间出口水温越接近土壤初始温度。

图11 出口水温随时间变化Fig.11 Outlet water temperature changes with time

套管式地埋管间歇运行时,恒温水浴停止提供冷量时间越长,管内流体恢复时间越长,其温度与地埋管周围土壤温度相差会越小,此时的出口温度越接近土壤的初始温度。

图12为不同运行模式下单位井深换热量随运行时间的变化。连续运行模式下,在0～3 h单位井深换热量由214 W/m急剧下降到28.83 W/m,3 h之后随运行时间的增加,单位井深换热量呈现出稳定的趋势。运行初期套管式地埋管的进出口水温温差较大,经过一段时间后,随着管内热量与外界土壤进行交换,温差逐渐变小,因此单位井深换热量随着运行时间的增加逐渐呈现出平稳的趋势。间歇运行模式下,随着运行时间的增加,单位井深换热量均呈现出升高和降低的周期性变化规律。间歇运行模式和连续运行模式的单位井深换热量在运行初期变化规律基本相似,随着恒温水浴停止为地埋管提供冷量,此时地埋管周围土壤处于恢复阶段,在这个阶段内地埋管管内的流体温度与周围土壤温度差别较小,地埋管进出口水温近似无温差,因此地埋管单位井深换热量接近于零;之后外界继续提供恒温水浴,这时突然增加的冷量使得地埋管周围土壤温度与管内流体温度相差逐渐增加,单位井深换热量随着运行时间的增加逐渐趋于稳定状态。运行72 h后,间歇运行启停比1∶1和1∶2的单位井深换热量分别为191.56 W/m和46.91 W/m,连续运行的单位井深换热量为33.58 W/m,说明间歇运行单位井深换热量更高。间歇运行更有利于土壤温度的恢复。

单位井深换热量在间歇运行模式下比在连续运行模式下高,因为在间歇运行过程中套管式地埋管周围土壤具有一定的恢复时间。所以在实际工程中,使用间歇运行模式有利于土壤恢复热量,可以充分利用地热能。

4 结论

(1)蓄热工况下,连续运行模式进出口温度随运行时间较为稳定;间歇运行下启停时间比越小,进出口水温下降幅度越大。径向距离80 mm处连续运行模式距离套管式地埋管中心越近温度越高,例如运行72 h时,上层径向距离80 mm和105 mm,土壤温度分别为38.44 ℃和28.06 ℃。间歇运行同一径向距离下,启停时间比越大,地埋管周围土壤温升越大。启停比1∶2和1∶1运行72 h后,径向距离105 mm处土壤波动分别为0.35 ℃和2.16 ℃。

(2)蓄热工况连续运行时单位井深换热量小于间歇运行时单位井深换热量,间歇运行72 h内启停比1∶1和1∶2时单位井深换热量分别在0.25～412 W/m和15.25～413 W/m波动,说明间歇运行时启停时间比越小,单位井深换热量越大。套管式地埋管平均传热系数越大,周围土壤温度波动越小。因此在实际工程中,地源热泵用于不同功能建筑可以合理选择间歇运行模式。

(3)取热工况下,距离套管式地埋管越近的土壤温度波动越大。连续运行模式周围土壤温度较稳定,但是不利于土壤恢复,间歇运行模式下套管式地埋管运行启停比越小土壤温度波动越。连续运行时在2 h之后出口水温基本保持在8.11～8.78 ℃;间歇运行启停比越小出口温度与土壤初始温度越接近。

(4)取热工况下,间歇运行启停比1∶1和1∶2的单位井深换热量分别为191.56 W/m和46.91 W/m,连续运行的单位井深换热量为33.58 W/m,说明间歇运行单位井深换热量更高。因此实际运行时选用间歇模式有利于土壤热量恢复,能较好地利用地热能。