地源热泵系统竖直U形管换热器设计中的问题探讨

2022-09-10

1、前言

目前世界上对于新能源的研究工作在不断的深入, 而且受到全球气候变暖的影响, 人们开始重视生态环境保护问题。地源热泵系统设计问题引起多方面的关注, 而且政府也大力支持地源热泵系统的研究工作, 提供相关的技术支持。地源热泵系统中竖直U形管换热器的设计一直是一个难点, 竖直U形管换热器有着平铺换热器不具有的特点, 主要就是占地面积小, 传热效率高, 这就导致它在工程实际运用中使用广泛。竖直U形管换热器的难点在于研究时间段, 没有这方面的研究数据, 而且对于土壤中热力研究不够, 同时在设计方面没有一个标准, 这些都会影响其设计。

2、竖直U形管换热器管路设计的理论基础

目前对于地热换热器的研究还不够成熟, 因为有很多的原因都会影响地热换热器的传热效率, 而且很多因素的具体原因还不够清楚。[1]现在世界上经常使用的传热模型主要分为两种, 第一种是运用有限元或者差分法对地底下的温度进行计算, 得出计算结果后再进行数据的分析, 这种方法主要是以离散化数据的计算方法为依据的, 最终建立传热模型。第二种是运用国外专家建立的线热源模型和无限长圆柱模型, 主要是热阻概念为基础的模型。目前世界上计算条件还不够成熟, 计算条件还不能满足地热换热器中关于空间、时间的计算, 而且这种计算还是三维的, 这也增加了计算难度, 所以这种方法无法应用于实际设计生产过程中。第二种方法主要是将一些数据简化, 这种计算方法不能确定得到计算结果, 而且这种方法的模型是无限长线热源, 这是在一维下进行计算的, 计算过程比较简单, 虽然会产生一定的误差, 但是比较适合现在的生产和设计。第二种方法就是竖直U形管换热器设计的理论基础。

3、竖直U形管设计的管道材料和管道管径

3.1 管道材料

地源热泵系统大部分情况下都是埋在地下的, 所以在进行竖直U形管道设计过程中要考虑到这一点。一般情况下, 如果管道出现问题很难进行维修工作, 所以设计时要考虑管道材料问题。设计人员在设计时要选择耐腐蚀强、抗压性强的材料, 这样才能保证竖直U形管道埋入地下不会出现问题。[2]现在, 大部分竖直U形管道的材料是塑料管道, 主要组成成分是聚乙烯和聚丁烯, 这两种材料具有很强的耐腐蚀能力, 而且这两种材料可以进行弯曲并且在热熔情况下会变得更加坚固。一般情况下, 这两种材料的管道使用寿命为五十年, 而且不容易出现问题。

3.2 管道管径

竖直U形管换热器进行设计时要注意管径的控制, 一般情况下管径应该满足两方面的要求。第一, 管道的管径要满足最小输出功率, 这样才不会出现能源浪费的现象。第二, 管道的管径要足够小, 必须要保证管道中流体和管道之间的传热效率, 保证传热的正常。但是, 从实际生活中可以看出这两个条件是相互对立的, 必须要平衡两者的关系。[3]一般情况下, 并联是可以使用小规格的管径, 集管是可以使用大规格的管径。目前, 竖直U形管换热器埋管经常使用二十毫米、二十五毫米和四十毫米的管径, 管道内流体的流速要控制在每秒一米以下, 大管径的管道流体的流速要控制在每秒二点五米。

4、竖直U形管换热器的深度与间距

竖直U形管道换热器设计是要考虑埋管的深度和间距。竖直U形管换热器埋管时要考虑占地面积、钻孔设备等等因素。在进行埋管时, 如果土壤太厚就会增加钻孔难度, 这样就会增加工程成本, 这时就比较适合在较深处进行埋管工作。目前国际上竖井深度一般是五十米到一百米, 竖直U形管换热器设计人员可以在这个范围选择合适的深度, 再运用公式进行计算并且将计算结果改正, 如果计算结果误差较大就可以适当调整竖井深度, 但是竖井深度也不能太深, 这样会增加工程的成本。[4]

除了考虑深度之外, 还要考虑间距。竖直U形管竖井的间距大部分情况下是四点五米, 同时用串联进行连接, 也可以使用三角形的方式进行连接, 这样可以节约面积。除此之外, 设计人员主要考虑的还是竖直U形管换热器的传热效率。

5、竖直U形管换热器的回填

竖直U形管换热器在放入竖直井中并且到达预计深度后, 就要把完成好的U形管道放入钻孔中, 并且在钻孔中填入特定的材料。材料的选择主要依据的是土壤情况的地质结构, 一般情况下回填材料为浇铸混凝土、回填砂石和回填土壤。材料选择时要进行综合考虑, 一方面要考虑材料的价格, 另外还要考虑材料的传热性能, 还有就是材料是否有利于施工进行。[5]从实际使用情况可以发现, 浇铸混凝土的传热性能最好, 不过这种材料的价格贵, 而且不利于施工的进行, 但是可以和其他建筑材料混合使用。

6、竖直U形管道换热器回路形式的选择

竖直U形管换热器回路连接主要有两种形式, 分别是串联和并联。串联要求管道管径规格大一些, 这时需要花费的资金比较多, 而且还会约束系统的能力。并联要求管道管径规格小一些, 这时需要花费的资金也会少一些, 经常会使用同程式, 而且如果所有的回路中流量达到一种平衡状态, 这时换热量都相等, 并且还会提高系统的能力。[6]所以, 实际工程中大多数情况下都是使用并联的回路进行连接。

7、结束语

目前我国地源热泵系统竖直U形管换热器设计还在起步阶段, 设计人员还面临着许多困难, 需要设计人员不断的努力, 学习先进技术克服这些困难。设计人员要在实际工程中学习技术, 不断的完善设计技能。并且在政府的支持下进行研究工作, 提高竖直U形管换热器的传热性能。

摘要：地源热泵系统的设计是一个非常复杂的过程, 其中竖直U形管换热器的设计是地源热泵系统中的一个难题, 设计需要进行多方面的考虑, 包括U形管的管径、单孔内U形管数量等因素。地源热泵系统是利用新能源进行再生产的环保系统, 地源热泵系统一般都在地下进行安装, 通过地源热泵系统调控建筑物内的温度。地源热泵系统中换热器的设计是十分重要的, 目前大多数换热器是使用U形管道。

关键词：地源热泵系统,竖直U形管,换热器设计