潮汐影响下的竖埋螺旋盘管换热器实验研究

潮汐影响下的竖埋螺旋盘管换热器实验研究

                            刘小冬  崔红社  周恩泽

                        （青岛理工大学山东青岛266033）

    摘要：根据热渗耦合理论，在相似理论的基础上搭建了模拟潮汐涨落的地源热泵砂箱实验台。实验结果表明，潮汐的涨落对地埋管换热器与土壤间的换热性能及其周围温度场产生一定程度的周期性影响。潮汐影响有利于地下埋管换热器周围土壤温度场的恢复，提高土壤源热泵系统的运行性能。

    关键词：潮汐    竖埋螺旋管换热器    热渗耦合   实验研究

    中图分类号：TB657.5文献标识码：B文章编号：1672-9064(2010)03－0005－03

    潮汐影响下的竖埋螺旋盘管换热器实验研究地源热泵在生活中得到了越来越广泛的应用，对地源热泵系统经济性能和运行特性的研究也日益受到重视。在地源热泵空调系统设计中，选择合适的换热器以及准确地确定其容量是系统经济、可靠运行的关键。本文选用的竖埋螺旋盘管适用于小型地源热泵，兼有垂直埋管换热器的占地面积小、换热效果稳定，较适用于海岸滩涂区域。目前国内外关于竖埋管换热器的传热模型都是基于纯导热的模型，一些较复杂的模型和应用软件对系统长期运行过程中的热量累积效应做了适当的考虑，但是在地下水渗流方面由于问题的复杂性，很少有人进行深入的理论研究，仅提出过一些定性的分析。然而由于竖埋管的埋深较大，实际上在其穿透的地层中或多或少地都存在着地下水的渗流，尤其是在沿海地区或地下水丰富的地区甚至有地下水的流动，对地埋管的换热性能影响较大。Eskilson［1］利用Carslaw［2］等给出的移动线热源问题的稳态解析解，讨论了达到稳定状态后渗流对地热换热器的影响。由于换热器影响范围大，通常需要数年或更长的时间才能达到基本稳定，因此实际应用中必须讨论瞬态问题；在无法求得解析解的情况下，Chiasson［3］等人利用有限元法数值求解了二维的渗流问题，对一些实际问题进行了计算和比较，但未能找到较一般的规律和结论；国内刁乃仁［4］等人根据多孔介质中有渗流时的能量方程，首次解析求解得到了有均匀渗流时线热源引起的二维温度响应。研究证明地下水的渗流或流动有利于埋管换热器的传热，有利于减弱或消除由于换热器吸、放热不平衡而引起的热量累积效应，减少地热换热器的设计容量。

    本文针对设置海岸滩涂区域地源热泵进行实验研究。根据相似理论搭建了可以模拟潮汐影响的地源热泵砂箱实验台，研究地源热泵制冷工况下潮汐带来的水渗流对埋管换热器换热性能以及其周围温度场的影响。

    1·理论依据

    根据M.Piechowski［5］所提出的理论，对于土壤初始含湿量远大于临界含湿量的地区，地下换热器的换热模型可以不考虑水分迁移对传热的影响，复杂的传热、传质耦合的数学模型对精确模拟地下换热器传热性能并不起很重要的作用。本课题所研究的滩涂区域，土壤初始含湿量远大于临界含湿量，可假设换热过程中，水分迁移引起土壤热量传递而导致土壤传热系数的变化较不明显，水分迁移引起的热迁移量相对总的传热量可忽略不计，不考虑海水的流动因素，换热器传热性能与受潮汐影响的土壤含湿量有关。为了便于分析，本课题对问题作出如下简化。实验所涉及的含水沙土层简化为一个均匀的多孔介质，热量的传递是由沙土和其中的流体的导热和孔隙中流体的对流传热而实现的。由于渗流速度很低，忽略流体的动能和耗散。本实验主要目的是研究潮汐对换热器与周围土壤换热能力的影响，对换热器的具体形式要求不高，本实验选取单一单元的地下螺旋埋管进行研究，由于埋管半径较之于其影响区域较小，简化为线热源进行处理，不考虑地下螺旋埋管结构内部的影响。

    2·实验研究与分析

    2.1实验系统

    实验系统如图1所示，主要由1个沙箱，1个电加热装置，1个保温水箱组成，通过加热装置的放热量模拟换热器负荷，保温箱储水，通过其向沙箱注水模拟涨潮工况，沙箱泄水，模拟退潮工况。

    竖直螺旋埋管只对其外侧2.0m以内的土壤温度场形成影响［6］，考虑到潮汐的影响、土壤中含水量较大等因素，设计实验沙箱原始尺寸为：沙箱长度为5m.，宽度为4m，高度为3m；实际试验中，根据相似定理，实验所需的尺寸按照原始尺寸1∶4的比例缩减，沙箱外围尺寸1400mm×1000mm×1000mm，沙体尺寸1250mm×1000mm×750mm。沙箱周围加装保温材料模拟绝热边界条件，在沙箱的底部装有滤板防止实验土壤流失，并在低于过滤板60mm处加装可以泄水的隔板模拟土壤不透水层。沙箱单侧留有注水槽，注水槽与箱内砂体间装有滤网，能够防止砂体流失并且可以使水均匀的渗入。模拟涨潮时，向注水槽注水，随着水位的上升，水从透过滤网从注水槽和底部渗入砂体；模拟退潮时，沙箱泄水，沙土中的水分从底部滤网和注水侧渗出。设调节阀调节水的速度。这时土壤含水量会发生变化，加装4个泄水孔以调节泄水速度。为了保证土体中水渗流的稳定性和均匀性，在土体上端设置2层铁纱网覆盖在沙体上，距离沙箱顶部留有约100mm的空余，可模拟潮水浸没地下埋管铺设区域时的情况。

    实验采用Pt100电阻温度计测量埋管周围土壤温度场的变化，埋管中轴线、周围土壤中及其始末端设置测温点，距离盘管越近越密集。

    2.2实验步骤与结果分析

    本实验模拟夏季海岸滩涂区域地埋管的运行工况，土壤的初始温度为25℃。

    实验分为2个阶段进行：

    第1个阶段，对未受潮汐影响情况下埋管换热器间歇运行工况进行测试，采用Pt100电阻温度计测量埋管周围土壤温度场的变化情况。此时土壤含水量未受到潮汐影响为非饱和土壤，换热器运行15h后关闭电加热器进行无加热情况下散热［7］，加热功率40W，周期为24h。

    第2阶段是对潮汐影响下的换热器进行测试，向沙箱内注水和泄水模拟潮汐变化。通过调节阀门控制注水和泄水的速度。根据连云港码头2001～2003年的实测资料：涨潮时间为5h 40min，落潮时间为6h 20min，潮水的平均潮差为3.5m。试验中，在时间尺度不变的情况下计算出涨潮时注水速度为0.06kg/s，退潮时泄水速度为0.05kg/s。

    结果分析

    2.2.1静态工况（未受潮汐影响时）

    埋管土壤温度场随时间的变化如图2所示（数据较多，故拟合成图），横坐标为测试时间，周期为24h，纵坐标为温度/℃。

    由图2可知，换热器周围土壤温度场分布不均匀，靠近埋管处的土壤温度较高，距离埋管较远处的土壤温度变化不大。加热过程中随着系统的运行，埋管周围土壤温度随时间逐步升高，温度曲线斜率大，热量积聚快。冷却过程中，埋管热量逐渐释放到周围环境，温度场降低，土壤温度变化曲线斜率不大，散热较缓慢。热泵间歇运行时，埋管周围积聚的热量得以释放，周围温度场得以恢复，有利于热泵再次开启时的换热。

    2.2.2动态工况（潮汐影响时）

    按照潮汐规律往沙箱中注、排水模拟潮汐影响的工况，注水速度为0.06kg/s，退潮时泄水速度为0.05kg/s。此时土壤含水量受潮汐影响含水量改变。加热15h后关闭电加热器进行无加热情况下散热，总周期为24h。试验所测得各热电偶布点处的土壤温度场变化如图3所示。横坐标为测试时间，周期为24h，纵坐标为温度/℃。

    较之于图3，加热阶段土壤温度曲线变化缓和，升温较小，水的渗流减少了热量的积聚，换热器与周围土壤换热能力增强。停止加热后的自然放热阶段，土壤温度曲线斜率较大，温度急剧下降，散热较快，达到稳态的时间短，过余温度低。

    开启电加热器24h持续加热，试验所测得各热电偶布点处的土壤温度场变化如图5所示。横坐标为测试时间，周期为24h，纵坐标为温度/℃。

    对比图2的加热阶段，土壤温度虽然总体也呈增加的趋势，但并不是线性的增长，而是随着潮汐的涨落，有一定的波动，总体增长较缓，增幅较小。多次试验得出潮汐对埋管周围土壤具有周期影响。对于每一个潮汐周期，涨潮时，随着土壤含水率的增加，土壤的换热能力增强；落潮时，随着土壤含水率的降低，土壤的换热能力降低。对比间歇运行的图3，埋管周围温度场积聚的热量未得到释放，温度较高，不利于换热，影响换热器的性能。

    3·结论

    （1）埋管换热器受到潮汐影响较显著，潮汐影响下换热器周围土壤温度较低，热量积聚较少，潮汐影响可以减弱由于地热换热器吸热、放热不平衡而引起的热量累积效应；

    （2）间歇运行工况对地温的恢复有利，热泵运行时，埋管与周围土壤进行热量交换，埋管向土壤释放热量，土壤温度升高，随着与盘管距离的增加，土壤温度上升的幅度逐渐衰减直至消失;热泵停止运行时，埋管附近积聚的热量向远处温度较低的土壤传递，使埋管附近的土壤温度下降，为下次的开机运行提供了有利的换热条件；

    （3）本文通过实验测量分析埋管换热器周围温度场，对潮汐的影响做出一些定性分析。由于使用电加热丝代替螺旋盘管，热阻较小，同时热电偶测试结果亦有误差，实验测试结果有一定误差。

参考文献

1·Eckilson P.Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes［D］.Swe-den:

Doctoral，Lund University，1987.Eskilson P.Thermal analysisof heat

extraction boreholes［D］.Sweden:Doctoral thesis，Lund Uni-versity，1987

2· Carslaw H S，Jacger JC，Conduction of heat in solids［M］.

London:2edEdition，Oxford University Press，1959.Carslaw H S，Jaeger J C.

Conduction of heat in solids［M］.London:2nd Edition，Oxford Uni-versity

Press，1959

3· Chiasson A D，Rees SJ，Spitler JD，a Preliminary Assessment of

theEffects of Ground Water Flow on Closed-loop Ground Source HeatPump

Systems［J］.ASHRAE Transactions，2000.106（1）

4·刁乃仁，李琴云，方肇洪.有渗流时地热换热器温度响应的解析解.山东建筑工程学院学报，2003（3）

5· M.Piechowski.Heat and Mass Transfer Model of a Ground Heat Ex-changer:

Theoretical Development.International Journal of Energy Re-search，1999

Vol.23，No.7

6·余乐渊，赵军等.竖埋螺旋管地热换热器理论模型及实验研究.太阳能学报，2004（5）

7·范蕊，马最良.土壤蓄冷与热泵集成系统地埋管热渗耦合理论与实验研究.哈尔滨工业大学，2006