蓄/取熱工況套管式地埋管換熱器換熱特性試驗研究

潘亞楠, 吳晅, 侯正芳, 金光

(內蒙古科技大學能源與環境學院, 包頭 014010)

為促進“雙碳”戰略目標的實現,要充分開發利用清潔、可再生能源,其中地熱能占據能源結構中的重要地位[1]。套管式地埋管換熱器作為有效利用地熱能的裝置,具有節能減排的優點[2],因此研究影響套管式地埋管換熱器換熱性能的因素可以充分利用地熱能。

地埋管具有多種類型,且影響地埋管換熱器傳熱性能的因素較多,國內外學者對不同類型的地埋管及各種因素做了相關研究,李娟等[3]對套管式地埋管和雙U形地埋管開展了巖土熱響應對比試驗,得出套管式地埋管換熱器比雙U形換熱性能好。Harris等[4]使用OpenFOAM對同軸套管換熱器和U形管換熱器進行對比分析,得出同軸套管式換熱器的外管使用鋼材料時比U形管的性能提高了22%。張炳鐘等[5]利用COMSOL建立三維數值U形地埋管換熱器傳熱模型,研究得出入口流體與土壤的溫差越大,土壤溫度場影響范圍越廣。Zhu等[6]研究了新型高效同軸套管換熱器,得出其熱影響半徑大于10 m。黃帥等[7]建立中深層套管式地埋管傳熱模型,研究4種不同啟停比對地埋管取熱特性的影響,分析得到啟停比越小有利于減小熱損失率。Jia等[8]設計了正交試驗,得出對于不同的同軸深埋管換熱器換熱條件,存在最佳的保溫回填深度。張哲菲等[9]建立了2 510 m深的地埋管換熱器模型,數值模擬了影響地埋管取熱能力的幾種因素,結果表明地埋管出口溫度隨著進口溫度的升高而升高。李澤錕等[10]基于巖土垂直分層建立單U形地埋管換熱器模型進行數值模擬,得出地下含水層的實際位置是埋管的最佳埋深處。Jia等[11]建立同軸鉆孔換熱器模型,研究了多種因素對其換熱性能的影響,得出較高的質量流量和較大的內外管半徑比可以提高熱效率。Liu等[12]研究了各種影響因素對中深層同軸鉆孔換熱器耦合地源熱泵系統能效的影響,得出比傳熱率142 W/m流體速度0.7 m/s為較優工況。胡志高等[13]對套管式地埋管換熱器換熱進行數值模擬研究,得出鉆孔深度一定時循環介質流速越大換熱器換熱能力越好。李俏楠[14]建立了地下埋深600 m土壤溫度場的三維非穩態水熱耦合套管式地埋管傳熱模型,得出周期運行后此埋深下土壤溫降較大。Li等[15]對兩種內管類型的同軸雙管三維模型進行傳熱數值模擬分析,結果表明改變內管形狀可提高地埋管換熱器的換熱能力。鮑玲玲等[16]建立中深層U形地埋管換熱器傳熱模型研究影響其傳熱性能的因素,得出回填材料導熱系數越大越有利于取熱能力的提高。劉逸等[17]數值模擬研究了影響套管式地埋管換熱器換熱性能的因素,結果表明回填材料導熱系數由1 W/(m·K)增加到2.5 W/(m·K)時,單位井深換熱量能夠提升32.4%。

以上大多為U形地埋管換熱器數值模擬研究,試驗研究以及套管式地埋管換熱器的研究還不夠,對于影響地埋管換熱器換熱性能的因素研究不全面,地源熱泵實際運行時,不同的運行工況下套管式地埋管換熱器會向周圍土壤進行儲熱或取熱,在這過程中地埋管周圍土壤會存在取熱量和放熱量不相等的情況,進而造成土壤熱量不平衡。不同運行方式運行時,會影響地埋管周圍土壤溫度,也會對套管式地埋管換熱器換熱特性產生重要影響。

為此現通過搭建套管式地埋管換熱器換熱特性試驗臺,研究豎直套管式地埋管在不同工況下周圍土壤的溫度變化,探究影響地埋管換熱器傳熱特性的相關因素,為地源熱泵實際運行時提高效率提供幫助。

1 試驗臺

以地源熱泵為基礎,基于動力相似、幾何相似和模型律,建立了套管式地埋管換熱器試驗臺如圖1所示,組成試驗臺的裝置主要有能量供給系統、套管式地埋管和儲熱容器。各項裝置的詳細組成、試驗原理以及試驗具體過程詳見課題組已發表的文獻[18]。

2 試驗數據處理

2.1 地埋管換熱器的換熱量

Q=qmρCp(t′f-t″f)

(1)

式(1)中:Q為地埋管換熱器的換熱量,W;qm為流體體積流量,m3/s;ρ為流體密度,kg/m3;Cp為定壓比熱容,J/(kg·℃);t′f為流體的進口溫度,℃;t″f為流體的出口溫度,℃;t′f-t″f為熱泵運行穩定后地埋管換熱器進出口溫差,℃。

2.2 地埋管換熱器的單位井深換熱量

地埋管周圍土壤與單位鉆井深度下地埋管相互傳遞的能量稱之為單位井深換熱量,評價地埋管傳遞熱量時的換熱能力[19]。

(2)

式(2)中:Q為換熱量,W;H為地埋管軸向方向上的深度,m。

2.3 地埋管進出口平均溫度

tm=(t′f-t″f)/2

(3)

式(3)中:t′f為流體的進口溫度,℃;t″f為流體的出口溫度,℃。

2.4 平均傳熱系數

平均傳熱系數定義為地埋管內部流體平均溫度與周圍土壤溫度的差與單位井深換熱量的比值,用來表示地埋管與周圍土壤之間復雜傳熱過程。

(4)

式(4)中:q為單位井深換熱量,W/m;tm為地埋管進出口平均溫度,℃;t0為土壤初始溫度值。

3 試驗及結果分析

3.1 試驗設定的相關參數

通過搭建試驗臺,對套管式地埋管換熱器不同運行模式下傳熱性能影響因素進行試驗研究,試驗過程中的相關參數如表1所示。

表1 試驗參數Table 1 Experimental parameter

3.2 試驗數據分析

3.2.1 蓄熱工況下運行模式對套管式地埋管傳熱性能影響

試驗條件:外界提供恒溫水浴,設定進口水溫為42 ℃,流量為100 L/h,運行時間為72 h。間歇運行模式:啟停比為1∶1模式下,套管式地埋管在0～12、24～36、48～60 h為蓄熱階段,套管式地埋管停機階段12～24 、36～48、60～72 h。啟停比為1∶2模式下,套管式地埋管蓄熱階段為0～12 h和36～48 h,套管式地埋管在12～36 h和48～72 h處于停機階段。

圖2分別給出了套管式地埋管換熱器連續運行模式及間歇運行模式下,其進口、出口溫度隨著運行時間的變化規律。可以看出,在連續蓄熱運行初期,地埋管進口溫度和出口溫度均呈現出急劇上升的趨勢,分別上升到40.7 ℃和40 ℃后趨于平穩。這是由于地埋管在連續蓄熱過程中管內流體的熱量不斷傳到周圍土壤中,恒溫水浴給流體連續不斷的熱量使得溫度維持恒定狀態。在間歇運行模式下,地埋管的入口溫度和出口溫度隨著運行時間的增加均呈現出急劇上升,后趨于穩定,然后急劇下降到一定值,溫度再急劇上升,以此循環的周期變化。分析可知,蓄熱工況下間歇運行時,蓄熱階段恒溫水浴為套管式地埋管提供熱量,此時進出口溫度上升,停機階段外界熱源消失,地埋管內的流體溫度隨著時間的增加會逐漸降低。啟停時間比越大,地埋管進出口溫度隨運行時間的下降幅度越小,反之,啟停比越小地埋管進出口溫度隨運行時間下降幅度越大。

圖2 進、出口溫度隨運行時間的變化Fig.2 Change of inlet and outlet temperature with running time

圖3和圖4給出了連續運行和間歇運行模式下,套管式地埋管附近上、中、下層不同徑向距離處土壤溫度的變化規律。從圖3中可以看出,距離套管式地埋管徑向80 mm處,連續運行模式下,隨著徑向距離的增加地埋管周圍土壤的溫度均呈現出先增加后趨于穩定的變化趨勢。從圖4中可得,連續運行時,距離地埋管中心105 mm處土壤溫度隨運行時間增加而增大。分析圖3和圖4可知同一分層距離套管式地埋管中心越近,周圍土壤溫度越高。例如運行72 h時,上層徑向距離80 mm和105 mm,土壤溫度分別為38.44 ℃和28.06 ℃,與土壤初始溫度對比,土壤溫度分別波動了26.44 ℃和16.06 ℃。套管式地埋管將一定熱量傳遞給周圍土壤后,土壤進行熱量的儲存,地埋管向近處土壤傳遞熱量時范圍較小,所以土壤儲存熱量多溫度較高,傳遞給較遠處土壤時,需要傳遞熱量的面積較大范圍較廣,因此較遠處土壤儲存較少的熱量其溫度較低。套管式地埋管在間歇運行過程中,運行初期周圍土壤溫度急速上升,隨著運行時間的增加然后下降隨后又出現上升趨勢然后溫度再次下降,表現為周期性變化。上層徑向距離105 mm處的土壤在設備運行40 h,啟停比1∶1模式下土壤溫升為2 ℃,啟停比1∶2模式下土壤溫升0.5 ℃。說明在相同徑向距離下,啟停比越大,周圍土壤溫升越大。

圖3 上、中、下層80 mm處土壤溫度隨時間變化Fig.3 The soil temperature at the upper, middle and lower 80 mm varied with time

圖4 上、中、下層105 mm處土壤溫度隨時間變化Fig.4 The soil temperature at the upper, middle and lower 105 mm varied with time

圖5分別給出了間歇運行1∶1和間歇運行1∶2時,不同徑向距離處套管式地埋管周圍土壤溫度隨運行時間的變化。可以看出,在徑向距離為80 mm處,地埋管周圍土壤溫度隨著運行時間呈現出周期性的變化規律,間歇運行時隨著徑向距離的增加,土壤溫度波動幅度越小。啟停時間比1∶1運行72 h后,徑向距離80、105、130、155 mm處的土壤溫度波動分別為6.68、2.16、1.33、0.88 ℃。啟停比1∶2運行72 h后,徑向距離105 mm處土壤波動為0.35 ℃。由此可得,在其他條件不變的情況下,啟停比越大,土壤溫度波動越大,啟停比越小,土壤溫度波動越小。說明在蓄熱過程中,套管式地埋管管內流體向近處土壤傳遞熱量更快,向遠處土壤傳遞慢。

圖6給出了套管式地埋管換熱器在連續運行和間歇運行模式下,隨著運行時間單位井深換熱量的變化。由圖6可得,在連續運行模式下地埋管的單位井深換熱量隨著運行時間呈現出先急劇下降然后趨于平穩規律;間歇運行模式下,單位井深換熱量隨運行時間均呈現出周期性變化規律,運行初期單位井深換熱量下降,然后上升最后降低,以此周期進行循環。連續運行模式下,運行2 h后單位井深換熱量趨于穩定在18.9～33.2 W/m波動。套管式地埋管換熱器在連續運行初期,管內流體的熱量會持續傳遞給周圍土壤,因此周圍土壤的溫度會不斷升高,運行一段時間后管內流體與土壤之間的溫差會減小,最后維持一個穩定的狀態,所以單位井深換熱量隨著運行時間會逐漸趨于穩定;間歇運行時,管內的流體會將自身熱量傳遞給周圍土壤,當外界停止提供熱量后,管內流體溫度在一定時間內還處于較高的狀態,因此存在溫度梯度,所以熱量會繼續向周圍土壤傳遞,最后地埋管進出口水溫相等此時溫差為零。間歇運行72 h內啟停時間比1∶1時,單位井深換熱量在0.25～412 W/m,啟停時間比1∶2時,單位井深換熱量在15.25～413 W/m。分析可知連續運行模式下套管式地埋管單位井深換熱量較為平穩但是低于間歇運行的單位井深換熱量,間歇運行模式下有利于土壤溫度的恢復,間歇運行模式下啟停比越小,單位井深換熱量越大。

圖6 單位井深換熱量隨運行時間變化Fig.6 The average quantity of heat pet meter with running time

圖7為不同運行模式下,平均傳熱系數隨運行時間的變化規律。可知,連續運行模式下套管式地埋管平均傳熱系數先急劇上升后下降,5 h后趨于平穩并保持穩定。間歇運行模式下平均傳熱系數呈現出周期性上升和下降的變化規律,并且在0～36 W/(m·℃)波動。地埋管平均傳熱系數與單位井深換熱量成正比,運行初期管內流體與地埋管周圍土壤溫差較大,單位井深換熱量較高,因此平均導熱系數較大。間歇運行模式下平均傳熱系數比連續運行模式下的平均傳熱系數大,且啟停時間比越小,平均傳熱系數越大。

圖7 平均傳熱系數隨運行時間變化Fig.7 The average heat transfer coefficient varies with the running

顯然,地源熱泵系統在實際運行時,套管式地埋管換熱器最好采用間歇運行模式,此種運行下,隨著其單位井深換熱量的提高,地埋管周圍土壤溫度的波動較小,有利于土壤溫度的恢復。對一些商用辦公樓來說,冬季供暖時地源熱泵可在白天運行,夜間停機。

3.2.2 取熱工況下運行模式對套管式地埋管傳熱性能影響

地源熱泵在實際應用時,套管式地埋管換熱器不僅從周圍土壤中提取熱量,同樣會吸收土壤中的冷量。為了研究套管式地埋管在取熱工況下的傳熱性能,試驗過程中給地埋管外部利用恒溫水浴提供冷源。

試驗條件:外界恒溫水浴提供冷源,時間為72 h,流量為100 L/h,地埋管進口水溫為10 ℃。

圖8為連續運行模式下套管式地埋管不同徑向距離處土壤溫度隨運行時間的變化。由圖8可知,地埋管周圍土壤溫度隨著運行時間的增加逐漸降低,徑向距離80 mm處土壤溫度在運行初期急劇下降,后逐漸趨于平穩,在徑向距離155 mm處的土壤溫度隨運行時間變化較為平緩。運行70 h后,距離地埋管徑向80、105、130、155 mm處的土壤溫度分別為9.06、19.58、20.94、21.64 ℃,說明距離地埋管越近的土壤溫度波動較大。外界為地埋管提供冷量時,地埋管相當于是一個冷源,進入地埋管的流體的初始溫度低于土壤的初始溫度,因此管內流體的溫度也低于地埋管周圍土壤的溫度,此時周圍土壤會將熱量傳遞給地埋管,所以越接近地埋管的土壤溫度變化幅度越大,地埋管對于遠處的土壤影響較小,徑向距離越大土壤溫度變化越小。

圖8 連續運行土壤溫度變化Fig.8 Soil temperature change under continuous operation

圖9為取熱工況下,間歇運行不同啟停比套管式地埋管周圍土壤溫度隨運行時間的變化。由圖9可得,間歇運行模式下距離地埋管越遠處的土壤溫度波動越小,啟停時間比對較遠處的土壤影響較小。啟停比1∶1運行72 h,距離地埋管中心80、105、130 mm處的土壤溫度分別在9.09～19.98、17.71～19.85、18.46～20.17 ℃波動。

圖9 間歇運行土壤溫度變化Fig.9 Soil temperature change under intermittent operation

圖10為不同運行模式下,距離套管式地埋管中心80 mm處土壤溫度隨運行時間的變化。由圖10可知,連續運行模式下徑向距離為80 mm處的土壤溫度隨著運行時間的增加呈現出先急劇下降后逐漸趨于穩定的趨勢;間歇運行兩種模式(啟停比1∶1、1∶2)下在相同徑向距離處的土壤溫度隨著運行時間的增加均呈現出一定的周期性變化規律,地埋管周圍土壤溫度在運行初期急劇下降后逐漸增加,以此循環。恒溫水浴為地埋管提供一段時間冷量后停止,此時套管式地埋管可以看作是一個冷源,遠離地埋管的土壤溫度高于近處土壤溫度,因存在溫度梯度,溫度高處的土壤會將熱量傳給距離地埋管近的低溫土壤,所以在間歇運行時,徑向距離越小處的土壤溫度會呈現出先下降后上升的規律。啟停時間比為1∶1時,運行一個周期(取熱12 h,停機12 h),在停機階段,土壤溫度由9.22 ℃上升到16.58 ℃,啟停時間比為1∶2時,運行一個周期(取熱12 h,停機24 h),在停機階段,土壤溫度由9.02 ℃上升到18.03 ℃。說明停機時間越長土壤溫度恢復時間越長,經過長時間的恢復后,周圍土壤溫度越接近土壤初始溫度,但是低于土壤初始溫度。連續運行模式下周圍土壤溫度較穩定,但是不利于土壤的恢復。間歇運行模式下套管式地埋管運行啟停比越小,土壤溫度波動越大,反之,啟停比越大,土壤溫度的變化幅度越小。

圖10 徑向距離80 mm處土壤溫度變化Fig.10 Soil temperature variation at radial distance of 80 mm

圖11為取熱工況時,不同運行模式下套管式地埋管出口水溫度隨運行時間的變化,從圖11中可得,連續運行模式下出口水溫隨著運行時間先下降后趨于穩定,在運行時間0～2 h,出口水溫由24.45 ℃下降到8.70 ℃,2 h之后出口水溫基本保持在8.11～8.78 ℃,此階段出口水溫處于比較穩定的狀態。這是由于外界恒溫水浴提供冷量給地埋管,入口水溫度較低,隨著運行時間的增加,出口溫度會隨著降低,停止供冷之后出口水溫會逐漸接近土壤的初始溫度。間歇運行模式下,兩種啟停比運行時出口水溫隨運行時間的增加均表現出先降低后趨于平穩再增加之后急劇下降最后趨于穩定的周期性變化規律,啟停比1∶1運行時,運行時間0～2 h,出口溫度由20.85 ℃下降到9.05 ℃,2～12 h出口水溫保持在8.40～8.94 ℃,在運行時間12～24 h,出口水溫由8.40 ℃上升到17.98 ℃;間歇運行啟停比1∶2模式下,在0～2 h出口水溫由20.90 ℃降低到8.91 ℃,運行時間2～12 h出口溫度在8.39～9.05 ℃保持穩定,12～36 h運行時間內出口溫度由8.39 ℃上升到18.33 ℃,可以看出啟停比越小,隨著運行時間出口水溫越接近土壤初始溫度。

圖11 出口水溫隨時間變化Fig.11 Outlet water temperature changes with time

套管式地埋管間歇運行時,恒溫水浴停止提供冷量時間越長,管內流體恢復時間越長,其溫度與地埋管周圍土壤溫度相差會越小,此時的出口溫度越接近土壤的初始溫度。

圖12為不同運行模式下單位井深換熱量隨運行時間的變化。連續運行模式下,在0～3 h單位井深換熱量由214 W/m急劇下降到28.83 W/m,3 h之后隨運行時間的增加,單位井深換熱量呈現出穩定的趨勢。運行初期套管式地埋管的進出口水溫溫差較大,經過一段時間后,隨著管內熱量與外界土壤進行交換,溫差逐漸變小,因此單位井深換熱量隨著運行時間的增加逐漸呈現出平穩的趨勢。間歇運行模式下,隨著運行時間的增加,單位井深換熱量均呈現出升高和降低的周期性變化規律。間歇運行模式和連續運行模式的單位井深換熱量在運行初期變化規律基本相似,隨著恒溫水浴停止為地埋管提供冷量,此時地埋管周圍土壤處于恢復階段,在這個階段內地埋管管內的流體溫度與周圍土壤溫度差別較小,地埋管進出口水溫近似無溫差,因此地埋管單位井深換熱量接近于零;之后外界繼續提供恒溫水浴,這時突然增加的冷量使得地埋管周圍土壤溫度與管內流體溫度相差逐漸增加,單位井深換熱量隨著運行時間的增加逐漸趨于穩定狀態。運行72 h后,間歇運行啟停比1∶1和1∶2的單位井深換熱量分別為191.56 W/m和46.91 W/m,連續運行的單位井深換熱量為33.58 W/m,說明間歇運行單位井深換熱量更高。間歇運行更有利于土壤溫度的恢復。

單位井深換熱量在間歇運行模式下比在連續運行模式下高,因為在間歇運行過程中套管式地埋管周圍土壤具有一定的恢復時間。所以在實際工程中,使用間歇運行模式有利于土壤恢復熱量,可以充分利用地熱能。

4 結論

(1)蓄熱工況下,連續運行模式進出口溫度隨運行時間較為穩定;間歇運行下啟停時間比越小,進出口水溫下降幅度越大。徑向距離80 mm處連續運行模式距離套管式地埋管中心越近溫度越高,例如運行72 h時,上層徑向距離80 mm和105 mm,土壤溫度分別為38.44 ℃和28.06 ℃。間歇運行同一徑向距離下,啟停時間比越大,地埋管周圍土壤溫升越大。啟停比1∶2和1∶1運行72 h后,徑向距離105 mm處土壤波動分別為0.35 ℃和2.16 ℃。

(2)蓄熱工況連續運行時單位井深換熱量小于間歇運行時單位井深換熱量,間歇運行72 h內啟停比1∶1和1∶2時單位井深換熱量分別在0.25～412 W/m和15.25～413 W/m波動,說明間歇運行時啟停時間比越小,單位井深換熱量越大。套管式地埋管平均傳熱系數越大,周圍土壤溫度波動越小。因此在實際工程中,地源熱泵用于不同功能建筑可以合理選擇間歇運行模式。

(3)取熱工況下,距離套管式地埋管越近的土壤溫度波動越大。連續運行模式周圍土壤溫度較穩定,但是不利于土壤恢復,間歇運行模式下套管式地埋管運行啟停比越小土壤溫度波動越。連續運行時在2 h之后出口水溫基本保持在8.11～8.78 ℃;間歇運行啟停比越小出口溫度與土壤初始溫度越接近。

(4)取熱工況下,間歇運行啟停比1∶1和1∶2的單位井深換熱量分別為191.56 W/m和46.91 W/m,連續運行的單位井深換熱量為33.58 W/m,說明間歇運行單位井深換熱量更高。因此實際運行時選用間歇模式有利于土壤熱量恢復,能較好地利用地熱能。