利用热管技术提高土壤源热泵水平埋管换热效能

    1 引言

    由于地下水和地表水热泵系统的应用在一定程度上受到地理条件及资源保护的限制,所以土壤源热泵系统最具发展潜力。而地下埋管换热器的长期稳定换热效果一直是土壤源热泵技术的难点,但同时也成为该项技术研究的核心和应用的基础。

    换热器的埋设方式可以是水平式和垂直式,结构方式有串联式和并联式两种,它们各有自己的使用范围。水平埋管通常浅层埋设,开挖技术要求不高,初投资低于竖埋管,但因埋管较浅,需要较长的管长来适应季节变化时土壤温度和湿度的改变。故对于同一系统水平式较垂直式占地面积大,开挖工程量大。垂直埋管地源热泵系统埋地比较深,工程成本相对较高,较适合于用地紧张的城市。鉴于这两种埋管形式各自的缺点,本文提出一种结合二者优点的换热器埋管形式—热管加水平埋管换热器。

    2 利用热管提高水平埋管换热器换热效能的原理

    热管是最有效的传热原件之一,它可以将热量通过其很小的截面有效地传输而无需外加动力。我国自20世纪70年代初,就开始了热管的传热性能研究以及热管在电子器件冷却及空间飞行器方面的研究[1]。热管的结构如图1所示,将圆筒形金属容器内部抽成真空,减压后注入适量的工作介质,并在金属容器内壁衬上一层称之为吸液芯的多孔质材料。若将这种容器的一端从外部加热,则内部封入的工作介质即气化,产生的蒸汽由于压力差而向另一端移动。蒸汽向没有加热的冷端移动后又变成冷凝的液体,再由吸液芯的毛细管作用或重力作用向加热端返回,这样,内部封入的工作介质在一端从液体向气体转化,另一端又从气体向液体转化,作为/泵0的驱动液循环工作。在/相变0时吸收的/气化潜热0可利用很小的温差从一端传到另一端,从而达到热传递及温度均一化的效果。

    如图1所示,工作介质蒸发的一端为蒸发段,冷凝的一端为冷凝段,二者之间为绝热段。从热管的原理可以看出,利用热管来提高地下埋管换热器的效能是可行的。首先,土壤是热的不良导体,当把热管直接插入地下时,土壤自身就是很好的绝缘材料,为绝热段提供了天然的屏障。同时,土壤的不同埋深提供了热管中工作介质相变时所需要的温度驱动力,这样,热管就可以源源不断地将热量由热管的一端输送到另一端,使水平埋管换热器周围的土壤温度场恒定。

    3 热管对水平埋管换热器的影响

    在获取同等热量的情况下,水平埋管的传热面积要比深层的垂直埋管传热面积大,主要是因为浅层土壤的温度比较低,传热温差比较小。但当在水平埋管换热器的土壤附近插入热管后,利用热管两端土壤的温度差,驱动热管工作,把热管一端土壤的热量传到水平埋管附近的土壤中,使水平埋管换热器附近土壤的温度升高,增大了水平埋管与土壤的换热温差的效果,在一定程度上可减少水平埋管换热器的传热面积。但必须指出,水平埋管换热器传热面积的减小是有限的。因为,安装热管之后,土壤的温度改变也不会很大,根据Q=KF$t可知,在同样的热负荷和传热系数情况下,如果温差变化很小,传热面积是难以改变的。但在水平埋管附近的土壤中加入热管后,水平埋管附近的土壤温度场变化很小,这时可以减小水平埋管换热器盘管之间的水平间距,减少水平埋管换热器的占地面积,解决水平埋管换热器应用时首要的限制条件。