潮汐影響下的豎埋螺旋盤管換熱器實驗研究

                            劉小冬  崔紅社  周恩澤

                        （青島理工大學山東青島266033）

    摘要：根據熱滲耦合理論，在相似理論的基礎上搭建了模擬潮汐漲落的地源熱泵砂箱實驗臺。實驗結果表明，潮汐的漲落對地埋管換熱器與土壤間的換熱性能及其周圍溫度場產生一定程度的周期性影響。潮汐影響有利于地下埋管換熱器周圍土壤溫度場的恢復，提高土壤源熱泵系統的運行性能。

    關鍵詞：潮汐    豎埋螺旋管換熱器    熱滲耦合   實驗研究

    中圖分類號：TB657.5文獻標識碼：B文章編號：1672-9064(2010)03－0005－03

    潮汐影響下的豎埋螺旋盤管換熱器實驗研究地源熱泵在生活中得到了越來越廣泛的應用，對地源熱泵系統經濟性能和運行特性的研究也日益受到重視。在地源熱泵空調系統設計中，選擇合適的換熱器以及準確地確定其容量是系統經濟、可靠運行的關鍵。本文選用的豎埋螺旋盤管適用于小型地源熱泵，兼有垂直埋管換熱器的占地面積小、換熱效果穩定，較適用于海岸灘涂區域。目前國內外關于豎埋管換熱器的傳熱模型都是基于純導熱的模型，一些較復雜的模型和應用軟件對系統長期運行過程中的熱量累積效應做了適當的考慮，但是在地下水滲流方面由于問題的復雜性，很少有人進行深入的理論研究，僅提出過一些定性的分析。然而由于豎埋管的埋深較大，實際上在其穿透的地層中或多或少地都存在著地下水的滲流，尤其是在沿海地區或地下水豐富的地區甚至有地下水的流動，對地埋管的換熱性能影響較大。Eskilson［1］利用Carslaw［2］等給出的移動線熱源問題的穩態解析解，討論了達到穩定狀態后滲流對地熱換熱器的影響。由于換熱器影響范圍大，通常需要數年或更長的時間才能達到基本穩定，因此實際應用中必須討論瞬態問題；在無法求得解析解的情況下，Chiasson［3］等人利用有限元法數值求解了二維的滲流問題，對一些實際問題進行了計算和比較，但未能找到較一般的規律和結論；國內刁乃仁［4］等人根據多孔介質中有滲流時的能量方程，首次解析求解得到了有均勻滲流時線熱源引起的二維溫度響應。研究證明地下水的滲流或流動有利于埋管換熱器的傳熱，有利于減弱或消除由于換熱器吸、放熱不平衡而引起的熱量累積效應，減少地熱換熱器的設計容量。

    本文針對設置海岸灘涂區域地源熱泵進行實驗研究。根據相似理論搭建了可以模擬潮汐影響的地源熱泵砂箱實驗臺，研究地源熱泵制冷工況下潮汐帶來的水滲流對埋管換熱器換熱性能以及其周圍溫度場的影響。

    1·理論依據

    根據M.Piechowski［5］所提出的理論，對于土壤初始含濕量遠大于臨界含濕量的地區，地下換熱器的換熱模型可以不考慮水分遷移對傳熱的影響，復雜的傳熱、傳質耦合的數學模型對精確模擬地下換熱器傳熱性能并不起很重要的作用。本課題所研究的灘涂區域，土壤初始含濕量遠大于臨界含濕量，可假設換熱過程中，水分遷移引起土壤熱量傳遞而導致土壤傳熱系數的變化較不明顯，水分遷移引起的熱遷移量相對總的傳熱量可忽略不計，不考慮海水的流動因素，換熱器傳熱性能與受潮汐影響的土壤含濕量有關。為了便于分析，本課題對問題作出如下簡化。實驗所涉及的含水沙土層簡化為一個均勻的多孔介質，熱量的傳遞是由沙土和其中的流體的導熱和孔隙中流體的對流傳熱而實現的。由于滲流速度很低，忽略流體的動能和耗散。本實驗主要目的是研究潮汐對換熱器與周圍土壤換熱能力的影響，對換熱器的具體形式要求不高，本實驗選取單一單元的地下螺旋埋管進行研究，由于埋管半徑較之于其影響區域較小，簡化為線熱源進行處理，不考慮地下螺旋埋管結構內部的影響。

    2·實驗研究與分析

    2.1實驗系統

    實驗系統如圖1所示，主要由1個沙箱，1個電加熱裝置，1個保溫水箱組成，通過加熱裝置的放熱量模擬換熱器負荷，保溫箱儲水，通過其向沙箱注水模擬漲潮工況，沙箱泄水，模擬退潮工況。

    豎直螺旋埋管只對其外側2.0m以內的土壤溫度場形成影響［6］，考慮到潮汐的影響、土壤中含水量較大等因素，設計實驗沙箱原始尺寸為：沙箱長度為5m.，寬度為4m，高度為3m；實際試驗中，根據相似定理，實驗所需的尺寸按照原始尺寸1∶4的比例縮減，沙箱外圍尺寸1400mm×1000mm×1000mm，沙體尺寸1250mm×1000mm×750mm。沙箱周圍加裝保溫材料模擬絕熱邊界條件，在沙箱的底部裝有濾板防止實驗土壤流失，并在低于過濾板60mm處加裝可以泄水的隔板模擬土壤不透水層。沙箱單側留有注水槽，注水槽與箱內砂體間裝有濾網，能夠防止砂體流失并且可以使水均勻的滲入。模擬漲潮時，向注水槽注水，隨著水位的上升，水從透過濾網從注水槽和底部滲入砂體；模擬退潮時，沙箱泄水，沙土中的水分從底部濾網和注水側滲出。設調節閥調節水的速度。這時土壤含水量會發生變化，加裝4個泄水孔以調節泄水速度。為了保證土體中水滲流的穩定性和均勻性，在土體上端設置2層鐵紗網覆蓋在沙體上，距離沙箱頂部留有約100mm的空余，可模擬潮水浸沒地下埋管鋪設區域時的情況。

    實驗采用Pt100電阻溫度計測量埋管周圍土壤溫度場的變化，埋管中軸線、周圍土壤中及其始末端設置測溫點，距離盤管越近越密集。

    2.2實驗步驟與結果分析

    本實驗模擬夏季海岸灘涂區域地埋管的運行工況，土壤的初始溫度為25℃。

    實驗分為2個階段進行：

    第1個階段，對未受潮汐影響情況下埋管換熱器間歇運行工況進行測試，采用Pt100電阻溫度計測量埋管周圍土壤溫度場的變化情況。此時土壤含水量未受到潮汐影響為非飽和土壤，換熱器運行15h后關閉電加熱器進行無加熱情況下散熱［7］，加熱功率40W，周期為24h。

    第2階段是對潮汐影響下的換熱器進行測試，向沙箱內注水和泄水模擬潮汐變化。通過調節閥門控制注水和泄水的速度。根據連云港碼頭2001～2003年的實測資料：漲潮時間為5h 40min，落潮時間為6h 20min，潮水的平均潮差為3.5m。試驗中，在時間尺度不變的情況下計算出漲潮時注水速度為0.06kg/s，退潮時泄水速度為0.05kg/s。

    結果分析

    2.2.1靜態工況（未受潮汐影響時）

    埋管土壤溫度場隨時間的變化如圖2所示（數據較多，故擬合成圖），橫坐標為測試時間，周期為24h，縱坐標為溫度/℃。

    由圖2可知，換熱器周圍土壤溫度場分布不均勻，靠近埋管處的土壤溫度較高，距離埋管較遠處的土壤溫度變化不大。加熱過程中隨著系統的運行，埋管周圍土壤溫度隨時間逐步升高，溫度曲線斜率大，熱量積聚快。冷卻過程中，埋管熱量逐漸釋放到周圍環境，溫度場降低，土壤溫度變化曲線斜率不大，散熱較緩慢。熱泵間歇運行時，埋管周圍積聚的熱量得以釋放，周圍溫度場得以恢復，有利于熱泵再次開啟時的換熱。

    2.2.2動態工況（潮汐影響時）

    按照潮汐規律往沙箱中注、排水模擬潮汐影響的工況，注水速度為0.06kg/s，退潮時泄水速度為0.05kg/s。此時土壤含水量受潮汐影響含水量改變。加熱15h后關閉電加熱器進行無加熱情況下散熱，總周期為24h。試驗所測得各熱電偶布點處的土壤溫度場變化如圖3所示。橫坐標為測試時間，周期為24h，縱坐標為溫度/℃。

    較之于圖3，加熱階段土壤溫度曲線變化緩和，升溫較小，水的滲流減少了熱量的積聚，換熱器與周圍土壤換熱能力增強。停止加熱后的自然放熱階段，土壤溫度曲線斜率較大，溫度急劇下降，散熱較快，達到穩態的時間短，過余溫度低。

    開啟電加熱器24h持續加熱，試驗所測得各熱電偶布點處的土壤溫度場變化如圖5所示。橫坐標為測試時間，周期為24h，縱坐標為溫度/℃。

    對比圖2的加熱階段，土壤溫度雖然總體也呈增加的趨勢，但并不是線性的增長，而是隨著潮汐的漲落，有一定的波動，總體增長較緩，增幅較小。多次試驗得出潮汐對埋管周圍土壤具有周期影響。對于每一個潮汐周期，漲潮時，隨著土壤含水率的增加，土壤的換熱能力增強；落潮時，隨著土壤含水率的降低，土壤的換熱能力降低。對比間歇運行的圖3，埋管周圍溫度場積聚的熱量未得到釋放，溫度較高，不利于換熱，影響換熱器的性能。

    3·結論

    （1）埋管換熱器受到潮汐影響較顯著，潮汐影響下換熱器周圍土壤溫度較低，熱量積聚較少，潮汐影響可以減弱由于地熱換熱器吸熱、放熱不平衡而引起的熱量累積效應；

    （2）間歇運行工況對地溫的恢復有利，熱泵運行時，埋管與周圍土壤進行熱量交換，埋管向土壤釋放熱量，土壤溫度升高，隨著與盤管距離的增加，土壤溫度上升的幅度逐漸衰減直至消失;熱泵停止運行時，埋管附近積聚的熱量向遠處溫度較低的土壤傳遞，使埋管附近的土壤溫度下降，為下次的開機運行提供了有利的換熱條件；

    （3）本文通過實驗測量分析埋管換熱器周圍溫度場，對潮汐的影響做出一些定性分析。由于使用電加熱絲代替螺旋盤管，熱阻較小，同時熱電偶測試結果亦有誤差，實驗測試結果有一定誤差。

參考文獻

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.有滲流時地熱換熱器溫度響應的解析解.山東建筑工程學院學報，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·余樂淵，趙軍等.豎埋螺旋管地熱換熱器理論模型及實驗研究.太陽能學報，2004（5）

7·范蕊，馬最良.土壤蓄冷與熱泵集成系統地埋管熱滲耦合理論與實驗研究.哈爾濱工業大學，2006