復合材質地埋管換熱器匹配參數設計及應用性能比較

申 思,李秀英,梁 艷

(西安思源學院 理工學院,陜西 西安 710038)

地源熱泵是一種利用地熱能為建筑提供制冷、供暖和熱水的節能技術,具有高效、環保、安全、穩定等優點,已經在全球范圍內得到了廣泛的應用和推廣[1-2]。地埋管換熱器是地源熱泵系統的重要組成部分,它是連接地熱能和熱泵機組的媒介,地埋管換熱器的熱交換效率影響著地源熱泵系統的能量利用率和經濟性[3-5]。通過設計和施工優化地埋管換熱器,增強其換熱能力,減少其投入,對于推動地源熱泵技術在建筑節能領域的應用具有重要作用。

目前,國內外對于地埋管換熱器的研究主要涉及以下幾個方面:①地埋管換熱器的傳熱機理和數值模擬[6]。通過構建數學模型,探討影響地埋管換熱器傳熱性能的各種參數,如土壤溫度、濕度、導熱系數、滲透率、回填材料、流體流量、進出口溫度等,并與實驗數據進行驗證和對比。②地埋管換熱器的設計方法和優化措施[7]。通過采用不同的設計方法,如傳統的線性源法、圓柱源法、有限線源法等,或者采用不同的優化措施,如改變地埋管形式、布置方式、間距、深度等,來提高地埋管換熱器的單位井深換熱量和系統性能系數。③地埋管換熱器的施工工藝和質量控制[8]。通過采用不同的施工工藝,如鉆孔方法、回填材料選擇、回填密實度檢測等,用以確保地埋管換熱器的工程性能和可靠性。

本文設計了一種新型地埋管換熱器,采用復合管材代替傳統的高密度聚乙烯管材,分析了不同地質條件下該換熱器相對于傳統換熱器的換熱性能提升,并分析了2種換熱器在不同回填材料和極端工況下的換熱性能,為后續復合管材的經濟性評價提供支持。本文可為高校地埋管換熱器的設計選型和節能優化提供參考依據。

1 復合管材換熱器特性分析

1.1 復合管材換熱器設計思路

管壁熱阻是指熱量在管道壁內傳遞時所遇到的阻力,受管壁材料的導熱系數和壁厚的制約。目前廣泛采用的管壁材料有聚乙烯管(PE)、聚氯乙烯管(PVC)、鋁塑管(PAP),但這些材料的導熱系數都不高;而金屬管道的熱導率遠高于PE管。由于金屬的承壓性能遠優于PE管,采用金屬管道時可顯著降低壁厚,但金屬管道容易受到腐蝕。因此,不能單純使用金屬,這里擬用復合管材,外層為PE管起到保護作用,內層為金屬管用于承受壓力。其中金屬相關的熱物性參數如表1所示。

表1 金屬熱物性參數Tab.1 Metal thermophysical properties parameters

1.2 復合管材換熱器壁厚計算

依據GB/T 150.1—2011《壓力容器第1部分:通用要求》的設計原則,地埋管道的壁厚的計算公式:

式中:δ為計算壁厚,m;pc為計算壓力,MPa;D0為圓管外徑,m;[σ]t為材料許用應力,MPa;φ為焊接接頭系數。

本文對10#鋼、20#鋼、碳素鋼和不銹鋼的管道設計應力進行了比較研究,采用焊接質量系數為0.8。根據管道承壓計算公式,得到工作壓力為1.0、1.25和1.6 MPa時管道設計壁厚,結果如表2所示。

表2 材料許用應力與管壁厚度Tab.2 Material allowable stress and pipe wall thickness

防腐涂層的膜厚很低,對設計壁厚的影響可不考慮。對于前述計算結果,取其工作壓力最高時的厚度并按標準尺寸比向上取整,如工作壓力為1.6 MPa時10#鋼的設計壁厚為0.205 mm,取值為0.25 mm;具體計算結果如表3所示。表3顯示使用符合管材時,管壁的熱阻遠小于對流換熱的熱阻,可忽略不計。

表3 復合管材管壁熱阻Tab.3 Thermal resistance of composite pipe wall

2 復合管材地埋管換熱器性能比較

本文通過建立地埋管換熱器三維模型,通過數值計算分析了不同地質環境、不同回填材料以及極端工況下復合管材和PE管材作為地埋管換熱器系統的性能對比。

2.1 不同地質條件下兩種換熱器性能比較

比較2種換熱器在不同土壤導熱系數下性能,選取了4種不同的土壤熱物性參數進行模擬,導熱系數分別為1.5、2.0、2.5、3.0 W/(m·K),其中土壤密度和比熱容分別為1 900 kg/m3和1.800 kJ/(kg·K)。回填材料的導熱系數、密度和比熱容分別為1.5 W/(m·K)、1 900 kg/m3和1.580 kJ/(kg·K)。利用這些模擬參數,對2種換熱器進行了8 h/d的30 d運行模擬試驗;2種換熱器出口水溫的平均值如圖1所示。

圖1 不同地質條件下2種換熱器的出水溫度

由圖1可知,隨著運行時間的增加,地埋管換熱器的出口水溫平均值呈現出先快速上升后逐漸趨緩的變化規律。這是因為初始土壤溫度較低,地埋管運行后,土壤熱量不能及時散出,導致蓄熱層土壤溫度持續升高,從而降低了地埋管換熱器的傳熱效率。在地埋管入口水溫一定時,地埋管換熱器的出口水溫隨之先快后慢地增加。

此外,在運行15 d后,當土壤導熱系數為1.5 W/(m·K)時采用結構壁管作為地埋管和當土壤導熱系數為2.0 W/(m·K)時采用PE管作為地埋管的2種換熱器的出口水溫相差不大,說明2種換熱器具有相似的傳熱性能。但在運行初期,后者的出口水溫比前者高0.4 ℃,這是由于前者的管壁熱阻較小,更利于冷卻水向土壤輸送熱量。如圖2所示,2種地埋管換熱器的日均傳熱量隨運行時間的增加而逐漸降低,且下降速度先快后慢,這與地埋管換熱器出口水溫的變化特征相吻合。

圖2 不同地質條件下2種換熱器的換熱性能

2.2 不同回填材料時2種換熱器性能比較

本文以導熱系數分別為1.0、1.5、2.0和2.5 W/(m·K)的4種回填材料作為地埋管換熱器的回填介質,進行模擬分析。假定回填材料和土壤的密度均為1 900 kg/m3,比熱容分別為1.580、1.740 kJ/(kg·K),以此為模擬參數,對2種換熱器進行了8 h/d的30 d運行模擬試驗;圖3顯示了2種換熱器地埋管出口水溫的日均變化曲線。

圖3 采用不同回填材料時兩種換熱器的出水溫度

由圖3可見,采用導熱系數分別為1.0、1.5 W/(m·K)的復合管材和PE管作為地埋管換熱器的傳熱元件,在連續運行30 d后,2種地埋管換熱器的出水溫度相差不超過0.1 ℃;這表明2種換熱器在運行周期內傳熱性能相當。

圖4顯示了2種換熱器在使用不同回填材料的情況下,30 d內的日平均換熱量。

由圖4可知,地埋管運行過程中,其換熱性能逐漸降低,且呈現先降快后降慢的趨勢。對于復合管材地埋管換熱器,當回填材料的導熱系數從1.0 W/(m·K)增到2.5 W/(m·K),每隔0.5 W/(m·K)時,單井換熱器的30 d平均換熱量分別為5 465.6、6 184.7、6 588.9和6 842.3 W,相比于基準情況(導熱系數為1.0 W/(m·K)),30 d內的日均換熱量分別提高了12.8%、6.5%和4.1%。同樣,隨著回填材料導熱系數的增加,相同程度的導熱性能提高所導致的換熱器性能提高逐漸減小。針對PE管地埋管換熱器,對于4種導熱系數從低到高的回填材料,其單井換熱器的30 d日均換熱量分別為4 898.2、5 463.4、5 795.2和6 018.3 W,相比于基準情況(導熱系數為1.0 W/(m·K)),30 d內的日均換熱量分別增加了11.6%、6.2%和3.9%。

2.3 極端工況下2種換熱器性能比較

為研究2種地埋管換熱器在不同土壤和回填材料條件下的換熱性能,本文考慮了2種極端的運行條件。在工況A下,土壤和回填材料都具有較高的導熱性能,分別為3.80、2.42 W/(m·K);在工況B下,土壤和回填材料都具有較低的導熱性能,分別為0.5、0.73 W/(m·K)。這2種導熱系數的取值范圍分別覆蓋了土壤1和回填材料2的常見變化范圍。利用數值模擬方法,計算了2種地埋管換熱器在工況A和工況B下的出水溫度,結果如圖5所示。

由圖5可知,在工況A和工況B條件下,復合管材和PE管作為地埋管換熱器的傳熱元件時,二者的出水溫度存在明顯的差別,分別為5.02、4.08 ℃。這反映了2種地埋管換熱器在不同土壤和回填材料條件下的換熱能力差異。在工況A下,復合管材地埋管換熱器的出口水溫比PE管地埋管換熱器低1.09 ℃,表明其具有更高的換熱效率;在工況B下,使用復合管材作為地埋管換熱器的傳熱元件時,其出水溫度比使用PE管時低0.18 ℃,說明其具有更好的換熱效果,但優勢不明顯。圖6展示了2種地埋管換熱器在兩種極端工況下的平均換熱功率。

由圖6可知,使用復合管材作為地埋管換熱器的傳熱元件時,其日平均換熱功率在工況A和工況B下分別為8 830.9、3 081.3 W,比使用PE管時分別提高了16.9%和7.2%。這說明復合管材具有更優的換熱性能,并且在土壤和回填材料都具有較高導熱性能的工況A下,性能差距更為突出。這是由于復合管材地埋管換熱器的管壁熱阻較小,而土壤和回填材料的熱阻較大,因此提高土壤和回填材料的導熱系數對復合管材地埋管換熱器的效果更為明顯。

3 復合管材換熱器應用經濟性比較

為了評價復合管材換熱器的經濟性,采用年均總成本法,綜合考慮換熱器的設備成本、運行成本和維護成本,并與常用的石墨管換熱器和不銹鋼換熱器進行比較。設備成本指換熱器的購置費用,運行成本指換熱器的能耗費用,維護成本指換熱器的清洗、修理等費用。年均總成本指換熱器在一定使用壽命內的平均每年總成本,計算公式為:

假設復合管材換熱器、石墨管換熱器和不銹鋼換熱器的使用壽命均為10年,各項成本數據如表4所示。

由表4可知,復合管材換熱器的設備成本雖然略高于不銹鋼換熱器,但低于石墨管換熱器;運行成本和維護成本則明顯低于其他2種換熱器。因此,復合管材換熱器的年均總成本最低,為2.25萬元/年,比石墨管換熱器節省了25%,比不銹鋼換熱器節省了19.6%。

4 結語

(1)采用復合管材作為地埋管換熱器的傳熱元件時,其理論熱阻和模擬熱阻都遠低于PE管,兩者的差值超過18.0%,表明復合管材具有顯著的換熱優勢;

(2)當土壤和回填材料的導熱系數增加時,復合管材的性能增益率也隨之增加,均超過10%。在兩種極端工況下,復合管材的日平均換熱功率都比PE管高,分別高出16.8%和7.1%;

(3)根據年均總成本法,復合管材換熱器的經濟性最高,比石墨管換熱器節省了25%,比不銹鋼換熱器節省了19.6%。這說明復合管材換熱器具有較高的成本效益,是一種值得推廣的換熱設備。