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中深层地埋管换热器换热性能数值模拟分析

发布时间:2019-07-09 10:30:00    信息来源:西安交大建筑节能研究中心

 前沿


中深层地热能为建筑供热是近年来地热能领域的研究热点之一。其中,中深层地埋管换热器(以下简称“换热器”)作为系统中的核心部分,对系统的热提取效率起着至关重要的作用。在实际的应用过程中(换热原理图如1所示),换热流体通过换热器与中深层岩土换热,并将提取的地热能由换热器出口送至热用户,最后又流经换热器入口重新进行热提取。本文主要从换热器进出口水温以及岩土温度分布两个方面讨论了不同热负荷下中深层地埋管换热器换热性能的变化情况。

 

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本节讨论了在不同热负荷条件下(100kW, 150 kW, 200 kW和250 kW)换热器进出口水温的变化情况,第一年供热周期换热器进出口水温的变化情况如图2所示。可以看出,在供热周期内进出口水温随着换热的进行不断下降,且在较大的负荷条件下进出口水温下降程度更为明显,在第一个供热周期内,100kW,150kW与200kW负荷条件下的进出口水温分别下降了10.5 °C, 17.0 °C和 23.6 °C。250kW条件下的进口水温在供热结束末期以接近0 °C,不符合实际的运行情况。中深层地埋管换热器的运行特点是冬季取热,夏季停止运行,在停歇期间换热器周围的岩土进行热恢复。依据换热器运行特点,模拟了换热器五个供热周期内的进出口水温变化情况(图3)。可以看出,在连续供热周期下,第二年供热周期的换热器进出口水温较上一年下降程度最为明显。第二年供热周期后,负荷为100kW、150kW下的换热器进出口水温变化情况基本保持不变,200kW下的换热器进出口水温仍有下降趋势。


 

上述分析可以看出热负荷较小有利于换热器稳定的热提取,但在实际应用中,为充分发挥换热器的取热优势,换热器取热量的设计值应为其取热能力范围内的最大值。故需要注意的是,在较大热负荷作用下,应注意其逐年进口水温的变化情况,尤其是在前几年供热周期内进口水温的下降程度,入口水温应满足实际运行时的换热要求。此外,在较大的热负荷作用下,换热器进出口水温在每个供热周期开始至结束过程中有着较大程度的下降。而换热器在实际应用过程中一般与热泵机组耦合运行,水温变化较大对热泵机组运行的影响是需要注意的另一问题。

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换热器在热提取的过程中,周围岩土温度不断下降。图4为热负荷为200kW的条件下,供热周期结束时不同深度(450m,950m,1350m和1950m)岩土温度的变化情况。从图中看出,随着深度的增加岩土温度的下降程度越大,且换热所影响的径向范围(换热半径)也越大。下面主要分析不同负荷条件(100kW,150kW,200kW)下不同埋深处岩土温度变化的分布情况(图5)。可以看出,在同一深度下,负荷的增加导致换热器周围岩土温度大幅度下降,换热半径也呈现增加趋势。且埋深越深,岩土温度的下降程度越明显,换热半径也越大。但对于换热半径的增大比例来说,在热负荷从100kW增大至150kW、200kW时,1950m埋深处换热半径增加比例为3.75%,2.41%,1450m埋深处换热半径增加比例为5.63%,5.33%,950m埋深处换热半径的增加比例为15.79%,7.58%。结果表明,埋深较浅的岩土换热半径受负荷条件变化的影响程度较大。

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本文分析了不同负荷条件下中深层地埋管换热器换热性能的变化情况,从换热器进出口水温和岩土温度变化分布情况两个方面进行了分析,对于中深层地埋管换热器的设计具有重要意义,本文的主要结论如下:

 

1)用户热负荷对中深层地埋管换热器的进出口水温变化影响较大。较小的负荷有利于换热器的长期稳定换热,而在较大负荷条件下,换热器进出口水温在供热周期开始到结束期间下降的程度十分明显。对于连续供热周期,第二年供热周期的换热器进出口水温较第一年的下降程度最为明显。此外,对于负荷较大的条件下,换热器逐年进口水温的下降是需要注意的,应符合实际运行时的换热要求。

 

 

2)在换热器换热期间,周围岩土温度不断下降。用户热负荷的增加导致岩土温度的下降程度不断增加,且随着埋深越深下降程度越明显。岩土的换热半径也受热负荷的影响,随着热负荷的增加,岩土换热半径也不断增加,且埋深越深换热半径越大。但随着热负荷的增加,埋深较浅处岩土换热半径的增加比例越大,表明埋深较浅处的岩土换热半径受热负荷变化的影响程度较大。

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