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(jié)能技術(shù),具有高效、環(huán)保、安全、穩(wěn)定等優(yōu)點,已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣[1-2]。地埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)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(tǒng)的能量利用率和經(jīng)濟性[3-5]。通過設(shè)計和施工優(yōu)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(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要作用。

目前,國內(nèi)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(shù)值模擬[6]。通過構(gòu)建數(shù)學模型,探討影響地埋管換熱器傳熱性能的各種參數(shù),如土壤溫度、濕度、導熱系數(shù)、滲透率、回填材料、流體流量、進出口溫度等,并與實驗數(shù)據(jù)進行驗證和對比。②地埋管換熱器的設(shè)計方法和優(yōu)化措施[7]。通過采用不同的設(shè)計方法,如傳統(tǒng)的線性源法、圓柱源法、有限線源法等,或者采用不同的優(yōu)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(tǒng)性能系數(shù)。③地埋管換熱器的施工工藝和質(zhì)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(shè)計了一種新型地埋管換熱器,采用復合管材代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高密度聚乙烯管材,分析了不同地質(zhì)條件下該換熱器相對于傳統(tǒng)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(xù)復合管材的經(jīng)濟性評價提供支持。本文可為高校地埋管換熱器的設(shè)計選型和節(jié)能優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 復合管材換熱器特性分析

1.1 復合管材換熱器設(shè)計思路

管壁熱阻是指熱量在管道壁內(nèi)傳遞時所遇到的阻力,受管壁材料的導熱系數(shù)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(shù)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(yōu)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(nèi)層為金屬管用于承受壓力。其中金屬相關(guān)的熱物性參數(shù)如表1所示。

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

1.2 復合管材換熱器壁厚計算

依據(jù)GB/T 150.1—2011《壓力容器第1部分:通用要求》的設(shè)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(yīng)力,MPa;φ為焊接接頭系數(shù)。

本文對10#鋼、20#鋼、碳素鋼和不銹鋼的管道設(shè)計應(yīng)力進行了比較研究,采用焊接質(zhì)量系數(shù)為0.8。根據(jù)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(shè)計壁厚,結(jié)果如表2所示。

表2 材料許用應(yīng)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(shè)計壁厚的影響可不考慮。對于前述計算結(jié)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(shè)計壁厚為0.205 mm,取值為0.25 mm;具體計算結(jié)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(shù)值計算分析了不同地質(zhì)環(huán)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(tǒng)的性能對比。

2.1 不同地質(zhì)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(shù)下性能,選取了4種不同的土壤熱物性參數(shù)進行模擬,導熱系數(shù)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(shù)、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(shù),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(zhì)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(xiàn)出先快速上升后逐漸趨緩的變化規(guī)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(xù)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(shù)為1.5 W/(m·K)時采用結(jié)構(gòu)壁管作為地埋管和當土壤導熱系數(shù)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(zhì)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(shù)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(zhì),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(shù),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(shù)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(xù)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(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(shù)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(shù)為1.0 W/(m·K)),30 d內(nèi)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(shù)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(shù)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(shù)為1.0 W/(m·K)),30 d內(nèi)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(shù)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(shù)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(jié)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(yōu)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(yōu)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(shù)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(yīng)用經(jīng)濟性比較

為了評價復合管材換熱器的經(jīng)濟性,采用年均總成本法,綜合考慮換熱器的設(shè)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(shè)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(nèi)的平均每年總成本,計算公式為:

假設(shè)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(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可知,復合管材換熱器的設(shè)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(jié)省了25%,比不銹鋼換熱器節(jié)省了19.6%。

4 結(jié)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(yōu)勢;

(2)當土壤和回填材料的導熱系數(shù)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(jù)年均總成本法,復合管材換熱器的經(jīng)濟性最高,比石墨管換熱器節(jié)省了25%,比不銹鋼換熱器節(jié)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(shè)備。