關(guān)于地源熱泵螺旋式地埋管的的熱力性能和壓降研究

1、關(guān)于地源熱泵螺旋式地埋管的熱力性能和壓降研究Jalaluddin, Akio Miyara 摘要：目前我們對螺旋式地源熱泵的熱力性能和壓降進行了評估，并用數(shù)值模擬的方法協(xié)助完成了這項研究。比較了U型地埋管和螺旋式地埋管在每口井中每米的熱交換率和壓降，并且對螺旋式地埋管和U型地埋管做了對比試驗分析。此外我們還對螺旋式地埋管和直管試地埋管進行了比較。與直管相比，使用螺旋式地埋管可以增加每口井中每米的熱交換率。然而，由于增加了每口井中每米孔深的管長和它的螺旋管式的幾何外形影響，水的壓降也增加了。數(shù)值模擬壓降的準(zhǔn)確度已經(jīng)用一些壓降關(guān)聯(lián)式證明是可信的。采用螺旋式地埋管的地源熱泵，其熱交換率和壓降都增強了

2、。舉個例子，在湍流狀態(tài)下間距為0.05m的螺旋式地埋管的熱交換率增加了1.5倍，壓降增加了6倍。并且從節(jié)能的角度上，采用螺旋管式地埋管的地源熱泵比采用直管式地埋管的地源熱泵有更好的性能。熱交換率和壓降都是設(shè)計地源熱泵系統(tǒng)時的重要參數(shù)。關(guān)鍵詞 ：地源熱泵 地下?lián)Q熱器 螺旋式地埋管 換熱率 壓降A(chǔ)bstract:Thermal performance and pressure drop of the spiral-tube GHE were evaluated in this present work. A numerical simulation tool was used to carry o

3、ut this research. The heat exchange rates per meter borehole depth of the spiral-tube GHE with various pitches and their pressure drops were compared with that of the U-tube GHE. Furthermore, a comparative analysis between a spiral pipe and straight pipe was performed. In comparison with the straigh

4、t pipe, using the spiral pipe in the borehole increased the heat exchange rate to the ground per meter borehole depth. However, the pressure drop of water flow also increased due to increasing the length of pipe per meter borehole depth and its spiral geometry. The accuracy of the numerical model wa

5、s verified for its pressure drop with some pressure drop correlations. The heat exchange rate and pressure drop of the GHEs are presented. As an example, the heat exchange rate per meter borehole depth of spiral pipe with 0.05 m pitch in the turbulent flow increased of 1.5 times. Its pressure drop a

6、lso increased of 6 times. However, from the view point of energy efficiency, using the spiral pipe in the ground-source heat pump system gives a better performance than using the straight pipe. The heat exchange rate and pressure drop are important parameter in design of the ground-source heat pump

7、(GSHP) system.Keyword: Ground-source heat pump Ground heat exchanger Spiral-tube GHE Heat exchange rate Pressure drop 10 / 101. 引言日益嚴重的全球變暖問題問題促進了可再生能源的使用。地源熱泵系統(tǒng)在可再生能源的市場中是種理想的技術(shù)。在住宅和商業(yè)建筑中，地源熱泵系統(tǒng)提供了有效的冷源和熱源。地源熱泵系統(tǒng)時由垂直或水平的地下熱交換器和熱泵組成。地源熱泵系統(tǒng)與大地進行熱量交換。垂直埋管通常埋在15到150米的深度，水平埋管通常埋在1到2米的深度。 關(guān)于垂直埋管的設(shè)計和模擬以及程

8、序和系統(tǒng)模型已經(jīng)做了詳細的研究1。在不同的環(huán)境下運行地源熱泵有著不同的熱交換率2,3。哈馬德等人研究了在幾種不同的實際地埋管地基中地源熱泵的性能4。高等人5同樣研究而幾種不同類型的垂直埋管的熱交換器。近年來螺旋管式的地源熱泵越來越受到關(guān)注，在這種類型的地源熱泵中，螺旋式地埋管被安裝在井眼或建筑地基中。建模是采用螺旋式地埋管的地源熱泵的重要的研究領(lǐng)域。圓柱型地源模型考慮了徑向維度和井口的熱容6。崔等人7開發(fā)了ring-coil仿真模型，此模型考慮了熱源的不連續(xù)性和螺旋管距的影響。然而，這個模型并不能模擬在螺旋管中流體循環(huán)的熱傳遞，螺旋式地埋管模型的開發(fā)有助于更好地?zé)崃Ψ治?。開發(fā)的螺旋式地埋管模

9、型考慮了3D形狀和徑向尺寸的影響9。提出來螺旋式地埋管不同螺距在傳熱中影響10。研究比較了螺旋式地埋管和三重U型地埋管11及雙重地埋12。發(fā)行螺旋式地埋管比其他類型的地埋管有更好的熱力性能。井孔的熱阻考慮了螺旋管距管徑和管長及地下水的影響，并對地下水溫度的長期影響進行了評估13。地下水的流動增加了螺旋管地源熱泵的換熱能力14。另外一項工作報告考慮了地下水平流對螺旋管的影響15-17。模擬了安裝在混凝土樁上的不同型號的的螺旋式地埋管18。熱交換率和壓降都是設(shè)計地源熱泵的重要參數(shù)。當(dāng)前工作調(diào)查了不同螺距的螺旋式地源熱泵每口井深的熱交換率和壓降，研究的螺距包括0.05m、0.1m和0.2m。2. 地

10、埋管換熱器的換熱率和仿真模擬模型 地源熱泵的模擬模型包括U型地埋管和螺旋式地埋管。分析熱交換率和水在地埋管中的壓降是模擬的主要目的。圖1展示了U型地埋管和螺旋式地埋管的示意圖。地埋管都被安裝在20米深的地方。U型地埋管和螺旋式地埋管的入口和出口都采用PE管。在螺旋式地埋管中，螺旋管被用在入口段，出口段采用直管。這種螺旋式地埋管被布置成三種不同的螺距，包括0.05m、0.1m、0.2m。表1列出了地埋管的所有相關(guān)的幾何參數(shù)和材料的熱力特性。在仿真模型中，地埋管周圍的土壤的建模半徑為5米。日本saga有相似的地質(zhì)條件2。土壤有黏土和沙土組成，在地下15m深以上是黏土15m以下是沙土。表2列出了土壤

11、的屬性。地埋管由三維混合網(wǎng)格生成。圖2展示了土壤和螺旋式地埋管的數(shù)值網(wǎng)格。在圖2中顯示的是10m深處截面的網(wǎng)格。 井眼周圍的網(wǎng)格如圖2（d）所示。在這項研究中采用ANYSY14.5作為CFD數(shù)值模擬的工具。地埋管模型模擬制冷模式的入口溫度為常溫27（300.15k）。初始低溫假定為常溫17.7（290.85K）。這個溫度和日本saga地面下5m的土壤溫度相似。為了研究在不同條件下的熱力性能，模擬了地埋管模型在層流和湍流條件的工作情況。層流狀態(tài)下循環(huán)水的流量設(shè)定為2L/min(Re=1900)，湍流狀態(tài)下循環(huán)水的流量設(shè)定為8L/min（Re=7600)。3. 熱交換率 進行了U型地埋管和螺旋式地

12、埋模擬。通過流量計算的熱交換率來研究地埋管的熱力性能。對連續(xù)72小時工作的地埋管的熱交換率進行了評估，因為72小時后熱交換率近乎變成了定值，所以對地埋管的近似評估是可取的。U型地埋管的熱交換率是進行比較的基礎(chǔ)。隨著時間的推移，出口水溫逐步增長并穩(wěn)定在一個固定的溫度。圖3顯示了經(jīng)過24、48和72小時后循環(huán)水的出口溫度。隨著工作時間的加長和出口水溫度的增長導(dǎo)致了地埋管性能的下降。通過以下方程對地埋管的熱交換率進行了計算，以此來評估地埋管的熱力性能。 Q=mCpT其中m是質(zhì)量流量（kg/s）,Cp是比熱（J/kgK）T是循環(huán)管入口水和出口水的溫差（K）。 用每口井中地埋管每米管長的熱耗率來定義每口

13、井中每米管長的熱交換率。圖4展示了不同類型地埋管在24小時，48小時和72小時后每米管長的平均熱交換率。相比U型地埋管來說，螺旋式地埋管的熱交換率大大增加。在層流狀態(tài)下螺旋式地埋管的熱交換率增加了34.9%，在湍流狀態(tài)下螺旋式地埋管的熱交換率增加了69.2%。湍流增加的熱交換率相比層流來說更吸引眼球。此外，圖5顯示了通過地埋管入口和出口的熱交換率。對于U型地埋管來說，入口的熱交換率在層流狀態(tài)下更高，然而出口的熱交換率在層流和湍流狀態(tài)下幾乎相對。通過U型彎管的熱交換率包括在入口管道里面。在低速層流和土壤與循環(huán)水之間的溫差相同狀態(tài)下，入口管道的比出口管道有更好的性能表現(xiàn)。層流狀態(tài)有助于提高熱交換率

14、。在螺旋式地埋管中，入口管段的熱交換率占主要地位。降低螺旋管距使得出口管段的熱交換率下降。在螺距為0.05m螺旋式地埋管中，層流狀態(tài)下通過出口管段的熱交換率是負的。入口管段的熱傳遞量熱力性能起干擾作用。通過地埋管入口管段每米的熱交換率如圖6所示。是由總換熱率除以深度算得的。相對于直地埋管，使用螺旋式地埋管增加了每米的管熱率。隨著螺旋式地埋管螺距的增大，熱交換率也增大了。每米的熱交換率在表3中列出。舉個例子，在0.05m螺距下湍流狀態(tài)下，螺旋式地埋管每米的熱交換率增加了1.5倍。4. 壓降 圖7顯示了地埋管在入口和出口之間的壓降。隨著每米管降管長的增加和螺旋模型的改變，螺旋式地埋管的水流壓降逐漸

15、增加。隨著螺距的減小壓降也會增加。圖8顯示了U型式地埋管和螺旋式地埋管的壓降。它顯示了兩種類型的地埋管沿著流徑的壓降。為了驗證沿著管路的壓降，圖9顯示了地埋管入口管段和出口管段的壓降。U型地面管和直型地埋管入口和出口管段的壓降幾乎是相等的。然而，隨著螺距的減小螺旋式地埋管的入口段壓降不斷增加。此外，用壓降的實驗關(guān)聯(lián)式驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。將地埋管入口管段的壓力應(yīng)用于壓降實驗關(guān)聯(lián)式 水流沿管路的壓降用以下式子計算得到：其中P是壓降（Pa）；f是摩擦因數(shù)；lp是管長（m）；di是內(nèi)徑（m）是流體密度（kg/m3）；V是流速（m/s）。對于直管，層流和湍流的摩擦因數(shù)可以用以下方程計算得到：fs=6

16、4Re（層流）fs=0.316Re0。25（湍流）對于螺旋管，White提供了彎管的實驗關(guān)聯(lián)式19。其中：De=Re（di/D）0.5Ju等人20評估了小曲率螺旋管的水利特性，其摩擦因數(shù)遵循的實驗關(guān)聯(lián)式如下：對于層流流動，De11.6;ReRecri對于湍流流動， Ito21建議彎曲光滑管的實驗方程如下。對于湍流流動，0.034RediD2300:Ali22提出了另外一個關(guān)聯(lián)式當(dāng)500Re6300當(dāng)6300Re10000對比數(shù)值模擬的結(jié)果，在一些實驗關(guān)聯(lián)式下計算的層流和湍流的結(jié)果如圖10所示。直管的壓降是不變的。螺旋管的壓降隨著螺距的減小而增加。然而，數(shù)值模擬的結(jié)果顯示在螺距為0.05m的螺旋

17、管的壓降比實驗關(guān)聯(lián)式計算的結(jié)果要低。應(yīng)注意的是數(shù)值模擬的結(jié)果是螺旋管安裝在20m深時的計算結(jié)果。在這個模型中包括了400個螺旋管。在螺旋管中，因為離心力的存在而產(chǎn)生了二次流。在數(shù)值模擬結(jié)果中，包含了螺旋管3D形狀的影響。它有助于和低壓降的實驗關(guān)聯(lián)式進行比較。 此外，圖11顯示了沿螺旋式地埋管入口每米的壓降。螺旋管的壓降隨著螺距的減小而增加。與直管作為一個例子相比，螺距在0.05m湍流狀態(tài)下的每米壓降增加了6倍。每米的壓降如表3所示。在3和4中提到的，雖然換熱率增加了1.5倍但壓降增加了6倍。盡管從這一角度看使用螺旋管是無意義的，但是必須從節(jié)能的角度進行評價。壓降的維度和熱交換率是不同的。 在這

18、里我們考慮壓降的增加和熱交換率對Copnet的影響。Copnet是應(yīng)用于地緣熱泵系統(tǒng)的。其中，Qc和Qh分別是制冷量和供熱量；Lcomp和Lpump是輸入壓縮機和泵的功；如果螺旋管通過增加泵做的功Lcomp來增加供熱量Qh，則凈COP變成如下：假定Lcomp是不變的。通過考慮CopnetLpump泵的功率被表示成體積流量，V（m3/s）和壓力損失,P(Pa)。這個方程改善了COP的表示方法。從Eq獲得值如表14所示總是正的并且對螺旋管來說是有效的。舉個例子，改善了螺旋管在湍流狀態(tài)下p=0.5m時COP的標(biāo)準(zhǔn)是1.5。5. 總結(jié)我們對螺距分別為0.05、0.1和0.2m的地埋管螺旋管每米鉆孔深度

19、的熱交換率和管道壓降進行了評估，相對于u形管地埋管的熱交換率，螺旋管地埋管的每米鉆孔深度的熱交換率顯著增加。0.05m螺距的螺旋管地埋管的熱交換率在層流區(qū)增加69.2%，在紊流區(qū)增加34.9%。和鉆孔中使用直管比較，使用螺旋管顯提高了地面單位鉆孔深度的熱交換率。此外，由于增加了每米鉆孔深度的管道長度和其本身的螺旋結(jié)構(gòu)，水流的壓降也會增加六倍。泵的功率也會增加六倍。增加每米鉆孔深度的螺旋管數(shù)目會增加壓降，然而，相比于關(guān)注能源效率而使用直管而言，在地源熱泵系統(tǒng)中使用螺旋管會有更好地系統(tǒng)性能。致謝:此項研究被日本NEDO的Renewable energyheat utilization techno

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