1、5/5變流量時(shí)地埋管換熱器的性能評(píng)價(jià)華北科技學(xué)院 李瓊李瓊（1978.01生），女，講師，碩士，研究方向：地源熱泵通訊地址：北京東燕郊206信箱華北科技學(xué)院土木工程系建環(huán)教研室，郵政編碼：101601；電話8052Email：李瓊（1978.01生），女，講師，碩士，研究方向：地源熱泵通訊地址：北京東燕郊206信箱華北科技學(xué)院土木工程系建環(huán)教研室，郵政編碼：101601；電話8052Email：摘要 綜述了現(xiàn)有地埋管換熱器性能的評(píng)價(jià)方法,根據(jù)變水流量時(shí)地埋管換熱特點(diǎn),綜合考慮動(dòng)量傳遞相似律與熱量傳遞規(guī)律，采用單位管長換熱量與泵耗功率相結(jié)合

2、的熱性能評(píng)價(jià)法對(duì)地埋管換熱器冬季工況時(shí)的性能作出評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞地埋管換熱器;變流量；性能評(píng)價(jià) 分類號(hào)TU81Prfomance Evaluaion of roun HetEcngerWen WaterVolm wasCnge Li iog， iu Hongwei, Ci Le（orth Chnanstite of Sienc ad Tecnlog)srct：This paersumazsevaluation mhs oeoraebout a exhagr。e evalation of goud heat ecner was evaluated in witr conditionby a cpre

3、nsivemetho ombnti of uittbe let fr etandump powe cnsumption， bsd on th attranserharacteristics when ater lume a hnged， nd cnsideratino momenum nfr similaty la ndat ranfr lw. Ke od：roundha excanger;aiable tervolume; peformace auton 引言地埋管換熱器是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的重點(diǎn)和核心設(shè)備,也是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。地埋管換熱器傳熱過程與通常的換熱器不

4、同，它不是兩種流體之間的換熱,而是埋管中的流體與周圍土壤間的換熱。這種換熱過程特殊且復(fù)雜，以往傳統(tǒng)換熱器的研究并沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。目前很多學(xué)者對(duì)地埋管換熱器的傳熱性能進(jìn)行了大量的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究,得出地源熱泵節(jié)能的一般性結(jié)論，而對(duì)地埋管換熱器的性能評(píng)價(jià)方法較單一。地埋管換熱器的性能評(píng)價(jià)，大多采用單位管長換熱量,重慶大學(xué)1采用有效換熱率評(píng)價(jià)，這些評(píng)價(jià)方法都屬于單一性能評(píng)價(jià)方法，而且是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的。大連理工大學(xué)3提出采用火用效率分析，雖然此方法能更準(zhǔn)確地反映熱量交換過程中能量在質(zhì)的損失，在設(shè)計(jì)過程中可用火用效率來判斷換熱器的性能，作為進(jìn)一步改善的依據(jù)，但在工程上缺乏實(shí)用性。本文

5、采用單位管長換熱量與泵耗功率相結(jié)合的性能評(píng)價(jià)法,反映變流量對(duì)地埋管換熱器的換熱性能的影響。2地埋管換熱器的性能評(píng)價(jià)方法一定結(jié)構(gòu)的地埋管換熱器，改變地埋管內(nèi)循環(huán)水的流量后,地埋管換熱器換熱性能、熱泵機(jī)組的性能系數(shù)以及整個(gè)熱泵系統(tǒng)的換熱能力會(huì)受到很大影響。地埋管換熱器單一的性能評(píng)價(jià)法無法全面評(píng)價(jià)系統(tǒng)在變流量時(shí)的運(yùn)行效果。地埋管換熱器換熱過程中的能量損失包含兩個(gè)方面:一是推動(dòng)流體流動(dòng)達(dá)到一定速度時(shí)所消耗的動(dòng)力；二是溫差傳熱的不可逆損失。當(dāng)流量減小時(shí)，可以減少泵耗功率,但此時(shí)溫差傳熱的不可逆損失必然增加.于是本文提出了 作為評(píng)價(jià)地埋管換熱性能的準(zhǔn)則,這個(gè)準(zhǔn)則數(shù)越大,系統(tǒng)性能越好。流量改變時(shí),對(duì)此準(zhǔn)則數(shù)

6、進(jìn)行如下分析。比較定流量與變流量運(yùn)行工況。地埋管換熱器管內(nèi)流體處于紊流狀態(tài)。由傳熱公式得定流量與變流量的單位管長換熱量分別為： (） （）可得 (3）根據(jù)管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則，得定流量與變流量的努謝爾特準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式分別為: (4) (5）式中，流體被加熱時(shí)，n0.4,流體被冷卻時(shí)=0。，因?yàn)橐话銓?shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，普朗特準(zhǔn)數(shù)r變化不大,故可忽略其對(duì)變流量的影響。所以變流量與定流量努謝爾特準(zhǔn)則之比為： ()又因?yàn)?() (8）一般實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)變化不大，故可忽略其對(duì)變流量的影響.將式（7）和(8）代入式(6）得 （9）根據(jù)體積流量G與流速u成正比的關(guān)系，式（9）進(jìn)一步得: 0）根據(jù)水泵相似律，變流量

7、與定流量的耗功率之比為: （11)將式(10)除以式（11)可得 (12)式（2）即為地埋管換熱器變流量運(yùn)行時(shí)的性能評(píng)價(jià)公式.只有其比值大于時(shí)，被評(píng)價(jià)的地埋管地源熱泵系統(tǒng)才有工程應(yīng)用價(jià)值,比值越大，表明地埋管地源熱泵變流量的性能越好.此評(píng)價(jià)指標(biāo)如果用Es表示，則 (3)3變流量對(duì)地埋管換熱器的影響 根據(jù)管內(nèi)對(duì)流換熱的強(qiáng)化方法,當(dāng)埋管內(nèi)流體流量增加時(shí)，地埋管換熱器的換熱量Q隨之增加，反之則減少.通過對(duì)某一地埋管換熱器進(jìn)行冬季工況實(shí)驗(yàn)研究,得出和理論分析一致的結(jié)果，如圖所示。圖1僅僅反映了流量變化時(shí)地埋管換熱器的換熱性能的變化,而流量變化后泵耗功率的變化情況則無法反映.圖 地埋管換熱器管內(nèi)流體換熱

8、量Q與G/G0的關(guān)系曲線Fig.1 Curve fTube Fuid Hearanfer Rat Q o Gnd Heat Exchaner an G/G0圖2Es與/G0-。2關(guān)系曲線Fg2 urve of E and /G0-12根據(jù)式(13),/G0取不同值時(shí)得出圖所示Es與G1。2關(guān)系。由圖2可知當(dāng)G/G01時(shí),Es1。這一點(diǎn)為流量是否變化的臨界點(diǎn),即點(diǎn)。當(dāng)流量變大時(shí)，G/G0增大，對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)E減小；同理流量變小，G/0減小，E增大。流量變化引起的地埋管換熱器換熱量和泵能耗變化由一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Es表示。Es時(shí)，即減小流量運(yùn)行，地埋管換熱器換熱效率降低，水泵能耗會(huì)相應(yīng)降低，而整個(gè)地源熱泵

9、系統(tǒng)節(jié)能顯著。為驗(yàn)證上述理論，埋管內(nèi)流體流量發(fā)生變化時(shí)，對(duì)地埋管換熱器評(píng)價(jià)理論值Es由式（1）得到和實(shí)驗(yàn)計(jì)算值進(jìn)行比較.由圖3可見，理論和實(shí)驗(yàn)計(jì)算值基本吻合,證明本文的數(shù)學(xué)模型及方程的建立是正確的。圖E理論值與實(shí)驗(yàn)值比較Fg.3 Cmpaio the Thoretical Vlue with xperimentl atabout E 結(jié)論1）對(duì)地埋管換熱器性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了分析與推導(dǎo),結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究,證明該評(píng)價(jià)指標(biāo)與實(shí)際情況較為吻合，具有一定的合理性。分析結(jié)果對(duì)地埋管換熱器性能評(píng)價(jià)工作具有一定的參考價(jià)值。2）冬季工況時(shí),地埋管換熱器變流量運(yùn)行，單位管長換熱量與泵耗功率相結(jié)合的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Es大于時(shí)，即減小流量運(yùn)行時(shí)，地埋管換熱器換熱效率雖然降低，但水泵能耗也相應(yīng)降低，整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能顯著。3）綜合考慮動(dòng)量傳遞相似律與熱量傳遞規(guī)律，單位管長換熱量與泵耗功率相結(jié)合的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)s能夠全面反映變流量運(yùn)行時(shí)地埋管換熱器的性能。符號(hào)說明:d-管徑，m;h-變流量時(shí)埋管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，/(m2)；t-埋管內(nèi)對(duì)流換熱溫差，；u埋管內(nèi)流體速度,m；埋管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s；G埋管內(nèi)流體體積流量,m3/s下標(biāo)0表示定流量參考文獻(xiàn)： 陳建萍.套管式地源熱泵全年運(yùn)行試驗(yàn)研究與傳熱模型。碩士論文，重慶:重慶大學(xué)0。1 徐國想,鄧先和，許興友，王智金. 換熱器傳