05基于毛细管换热器的海水源热泵及地铁废热源热泵技术的研发 胡松涛.ppt

1、基于毛细管换热器的海水源热泵 及地铁废热源热泵技术的研发 青岛理工大学 胡松涛 2016.11.11,目录,毛细管海水源热泵,毛细管换热器与围岩热响应实验与分析,2,研究背景,地铁围岩温度场模拟,1,3,5,6,地铁隧道毛细管壁面换热器热泵系统工程应用,地铁隧道毛细管壁面换热器热泵系统工程应用原理,4,研究背景,1,1.1毛细管简介,毛细管前端换热的热泵系统主要有由毛细管网换热器、循环水泵、热泵机组、末端装置等组成。毛细管前端换热器采用4.30.85mm标准毛细管，毛细管间距为10mm、20mm或40mm，如图1.1所示。每根毛细管内的流速为0.050.2m/s，管材为ppr管材毛细管内流动状

2、态均为层流。,图1.1 毛细管网,研究背景,1,1.1毛细管简介,毛细管网前端换热器,采用毛细管网作为获取自然冷热源的前端换热器，因其材料耐高温高压、耐腐蚀、换热面积大、管壁薄、换热效率高且水利损失小等优点，可将其制作沉箱置于浅层海水中，作为第二代海水源热泵系统的前端换热器。,研究背景,1,1.1毛细管简介,毛细管网取热特点,结构特点： 换热面积大 管壁薄换热效果好 换热均匀 水力损失小,使用特点： 高效节能 绿色环保 高舒适度 安装方便 免维护免清洗,材料特点： 热塑成型 耐高温 耐高压 耐腐蚀,广泛用途： 辐射采暖制冷 超薄辐射采暖 毛细管网呼吸式/重 力空调地源/水源能 量采集,研究背景

3、,1,1.2发展现状,1.热泵技术的发展，机组与末端技术比较成熟，关键是前端换热器的技术突破。 2.我国沿海城市，具有广阔的海域，蕴涵极为丰富的低位海水热能资源，一方面海水几乎取之不尽，另一方面海水在一定深度其温度受气温的影响小，全年较为稳定,因此，海水是热泵系统理想的冷热源，毛细管网水源热泵系统可直接应用于浅水甚至浅滩中，是目前国家大力提倡的供热供冷系统。,研究背景,1,1.2发展现状,常规水源热泵前端换热,解决方案毛细管前端取(放)热系统,存在的主要弊端： （1）水源（江河、湖水、海水、污水等）的情况复杂 （2）在水条件不好的情况下取（放）热系统造价高，有的约占工程总费用的35%-40%，

4、水处理费用高,研究背景,1,1.2发展现状,3.地铁围岩、隧道和车站中大量的低位热能需要空调系统排除，而传统空调系统存在设置和卫生隐患。将地铁隧道、车站以及围岩作为热泵系统的冷热源，地上建筑作为热用户，将二者有机结合，既可以实现浅层地热能的利用为建筑供暖，又可以将地铁隧道、车站以及围岩内的热量排除，改善地下空间的热环境，降低地铁环控系统的投资和运行费用。,毛细管海水源热泵,2,2.1海水源热泵简介,根据在源侧海水与工质换热方式的不同，海水源热泵系统有开式系统和闭式系统。开式系统根据取用的海水是否进入热泵机组又分为开式直接式系统和开式间接式系统，如下图所示。,海水源热泵系统,闭式系统,开式系统,

5、塑料抛管,毛细管,开式直接系统,开式间接系统,毛细管海水源热泵,2,2.2第一代海水源热泵,2.2.1简介,第一代海水源热泵采用开式海水源热泵系统,图2.1 开式直接式海水源热泵系统,图2.2 开式间接式海水源热泵系统,毛细管海水源热泵,2,2.2第一代海水源热泵,2.2.1简介,工作原理： 第一代海水源热泵系统为开式系统，海水经水泵提升后，经输送管道先进入换热器，在换热器内与热泵机组的回水换热，将冷热量传递给媒介系统的载冷或载热介质，再通过媒介水将冷热量传递给蒸发器或冷凝器，放出冷热量的海水乏水则通过排水管道输送回大海。,毛细管海水源热泵,2,2.2第一代海水源热泵,2.2.2工程应用青岛奥

6、帆媒体中心,青岛奥帆媒体中心工程总建筑面积8199m2。地下一层为志愿者服务场所及休息室，地上部分为餐厅、办公、会议室及媒体中心。建筑物夏季冷负荷：QL1265kW；冬季热负荷：QR820kW。 根据青岛奥帆媒体中心自身的建筑地理特点和使用功能，在媒体中心成功应用了海水源热泵技术，采用海水作为空调系统的冷热源，向建筑物内供应热水与冷水，空调系统末端采用风机盘管加新风方式。,毛细管海水源热泵,2,2.2第一代海水源热泵,2.2.2工程应用青岛奥帆媒体中心,图2.3 海水源热泵机组,毛细管海水源热泵,2,2.2第一代海水源热泵,2.2.3第一代海水源热泵的缺陷,1、水处理问题 由于海水直接作为换热

7、介质，对换热设备的腐蚀较大，因此对海水测管路、水泵、换热设备等应采取安全可靠的防腐措施，另外海洋生物附着在管道或设备、海水中的悬沙，易造成系统堵塞，需要定期清洗检修，维护费用较高。 2、取水工程 海水外网取水点对水深有较高要求，往往需要设置在深海中，因此水工工程受到当地海岸情况的制约，取水系统的造价较高。,新一代解决方案第二代海水源热泵,毛细管海水源热泵,2,2.3第二代海水源热泵,2.3.1简介,毛细管海水源热泵,2,2.3第二代海水源热泵,第二代海水源热泵技术解决的两大关键问题： 1、水质问题。塑料材质的毛细管网作为前端换热器具有耐腐蚀性强的特性，克服了传统金属换热器在有腐蚀性的水体环境中

8、使用寿命短的缺陷。采用闭式系统，系统内为媒介循环水，运行维护简便。另外，外部源水侧的水质（如盐度、悬沙量、离子浓度、悬浮生物等）均不会影响系统运行。 2、地质条件问题。毛细管换热器在海中的敷设可在岸边或就近敷设，不受取水深度的影响，因此，其可适应几乎各种海岸情况，这大大提高了海水源热泵技术的适用范围。另外，其施工为干地施工，施工方便，可靠性高，施工周期短。,毛细管海水源热泵,2,2.3第二代海水源热泵,2.3.3毛细管换热器的中试实验,实验目的： 1.确定毛细管用于前端换热时的传热系数、换热温差，尤其是冬季小温差换热时的传热性能，为毛细管换热器的设计计算提供基础数据。 2.确定毛细管换热器的阻

9、力特性，为管网设计提供设计依据。 3.确定毛细管换热器的力学特性，主要是抗拉特性，为毛细管换热器的水下整体布置提供设计依据。,毛细管海水源热泵,2,2.3第二代海水源热泵,2.3.3毛细管换热器的中试实验,图2.4 实验原理图,测试装置由海水水箱、毛细管、热物性仪、温度传感器、压力传感器，流量计等组成。,毛细管海水源热泵,2,2.3毛细管第二代海水源热泵,2.3.3毛细管换热器的中试实验,图2.5 试验台外观图,图2.6 实验用毛细管实物图,毛细管海水源热泵,2,2.3毛细管第二代海水源热泵,2.3.3毛细管换热器的中试实验,图2.7 试验水箱,图2.8 实验用毛细管规格,毛细管海水源热泵,2

10、,2.3毛细管第二代海水源热泵,2.3.3毛细管换热器的中试实验,2.9 单位水域体积换热量随流量变化柱状图,单位水域体积换热量指毛细管换热器所占每单位体积下的换热量，代表了毛细管前端换热装置在空间体积下的传热性能。单位水域体积换热量越大，则在负荷一定的条件下所需海域面积越小，能够减少投资，同时减少对海洋湖泊生物的影响。单位体积换热量的增加可以通过对换热器结构的优化，如缩小管席间距等来实现,毛细管海水源热泵,2,2.3毛细管第二代海水源热泵,2.3.3毛细管换热器的中试实验,表2.1 毛细管受迫对流热阻成分分析表,毛细管海水源热泵,2,2.3毛细管第二代海水源热泵,图2.10 放热工况换热器E

11、u数随Re数变化图,2.3.3毛细管换热器的中试实验,阻力特性,图2.110 取热工况换热器Eu数随Re数变化图,毛细管海水源热泵,2,2.3毛细管第二代海水源热泵,2.3.3毛细管换热器的中试实验,力学特性,力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。,表2.2 PPR管材力学特性,毛细管海水源热泵,2,2.3第二代海水源热泵,2.3.3工程应用（1）,基于毛细管网的第二代海水源热泵系统示范项目，位于青岛即墨鳌山卫镇冯家河村码头附近的洪利海鲜酒店，主要用于给建筑面积为500二层独立建筑供热制冷。机组采用涡

12、旋式热泵机组；用户侧末端采用风机盘管（FCU）+地面辐射式采暖埋地盘管，可以满足用户不同需求。,毛细管海水源热泵,2,2.3第二代海水源热泵,2.3.3工程应用（2）,青岛深蓝广场与海天中心项目,图2.11 青岛深蓝广场示意图,图2.12 青岛海天中心示意图,毛细管海水源热泵,2,2.3第二代海水源热泵,2.3.3工程应用（2）,青岛深蓝广场与海天中心项目,青岛深蓝广场与海天中心项目位于青岛市市南区，北临香港西路，南临东海西路，青岛市建设的地铁M2号线、M3号线交汇点湛山站将于该项目地下空间连接，形成“一纵两横”的地下交通枢纽。,深蓝广场：包括酒店、特色商业区、住宅、商业办公，建筑面积2269

13、39.67m2 海天中心：五星级酒店、企业会所、六星级酒店、写字楼、会议中心、高端公寓，建筑面积340000m2,毗邻海水浴场，可利用海水中蕴藏丰富的可再生能源的有利条件，采用海水源热泵系统,毛细管海水源热泵,2,热泵系统总投资造价为10068.8万元，均方造价为177.6元/m2。,正常水工工程费用为4300万元,地铁隧道毛细管壁面换热器热泵系统,3,工程实践原理,图3.1 工程实践原理图,毛细管网与地源热泵连接，冷水机组与冷却塔连接。夏季冷水机组、热泵同时运行，冬季只开启热泵机组。冬季管内的循环介质吸收围岩中的地热能，经地源热泵升温，用于地上建筑供热，同时排除围岩内热能，可降低使隧道内温度

14、，并备夏季用；夏季除去铺设的毛细管换热器所承担的冷负荷，剩余冷负荷用冷却塔来承担；热泵系统排出的热量释放并储存到围岩内，以备冬季用,毛细管换热器与围岩热响应实验与分析,4,4.1实验概况,研究毛细管管内循环介质的入口温度、流量和压力对换热量的影响以及毛细管换热器对隧道围岩和衬砌温度场的影响。,4.1.1实验目的,毛细管换热器与围岩热响应 实验与分析,4,4.1实验概况,图4.1 实验测试原理图,图4.2 现场试验台,4.1.2实验系统介绍,毛细管换热器与围岩热响应 实验与分析,4,4.1实验概况,每组工况的运行时间为24h。,表4.1 实验工况表,4.1.3实验工况,毛细管换热器与围岩热响应

15、实验与分析,4,4.1实验概况,4.1.4实验方案与步骤,（1）接通电源，仅开启热物性仪的循环水泵，并记录换热器的进出口水温，运行一段时间，目的是为了测量围岩的初温。 （2）设定毛细管换热器的进口温度，每个工况运行24小时。 （3）通过调节阀门的开度，来控制系统的流量，是每个工况运行24小时。,毛细管换热器与围岩热响应 实验与分析,4,4.1实验概况,图4.3 未加热时毛细管进出口温度随时间的变化,地铁隧道围岩初温实验时间在夏季的7月20号到23号，取换热器进出口温度的平均值25作为围岩的初始温度。,4.1.5围岩温度变化,毛细管换热器与围岩热响应 实验与分析,4,4.2入口温度对换热量的影响

16、,图4.4,由图可以看出，在入口温度一定的情况下，随着运行时间的增加，出口温度慢慢升高，则进出口温差会逐渐减小。,毛细管换热器与围岩热响应 实验与分析,4,4.2入口温度对换热量的影响,从图中可以看出：入口温度在27度，温差为2度时，单位面积换热量最小为60w/m2。且随着入口温度的增加单位面积换热量成线性增加,图4.5 毛细管换热器入口温度-换热量的关系,毛细管换热器与围岩热响应 实验与分析,4,4.2入口温度对换热量的影响,图4.6 毛细管换热器入口温度-换热量的关系,从上图可以看出，随着运行时间的不断增加，换热量逐渐减小。 综合以上各图还可得到：在地铁隧道围岩温度场处于恒温的情况下，入口

17、温度与围岩温度温差越大，毛细管换热器的换热量越大。,毛细管换热器与围岩热响应 实验与分析,4,4.2入口温度对换热量的影响,图4.7 不同情况下出口温度与运行时间的关系,从图中可以看出在流量一定的情况下，随着运行时间的增加，出口温度慢慢升高，且流量越大的出口温度越低，则换热温差也越大。,毛细管换热器与围岩热响应 实验与分析,4,4.3流量对换热量的影响,图4.8 毛细管换热器工质流量-换热量的变化关系,可以看出，毛细管换热器换热量和管内工质流量成对数性增加的关系，即毛细管换热器换热量随着管内工质流量的增加而增大。,毛细管换热器与围岩热响应 实验与分析,4,4.4压力对换热量的影响,图4.9 毛

18、细管换热器总阻力大小柱状图,实验用毛细管换热器阻力较小，阻力随着系统流量的增大不断地增大，流量为0.07m3/h时的阻力最小为9.6KPa，流量为0.1m3/h时的阻力最大为32KPa，阻力最大值是最小值的3.3倍，可见流速会对阻力产生较大的影响。,毛细管换热器与围岩热响应 实验与分析,4,4.5单位平米换热量 综合导热系数,毛细管可视为无限大空间，地下岩土的初始温度均匀，传热过程可认为是面热源在无限大介质中的非稳态传热过程。传热控制方程、初始条件和边界条件分别为：,（1）,（2）,（3）,（4）,毛细管换热器与围岩热响应 实验与分析,4,4.5单位平米换热量 综合导热系数,式(1)(4)中,

19、为毛细管周围岩土的平均比热容，,J/(kg)；,为毛细管周围岩土温度，；,为无穷远处土壤温度，；,为岩土周围岩土的平均密度，kg/m3；,为时间，s。,根据导热系数的反演原理，编制了土壤热物性计算软件。根据本测试的实测输入功率、水流量和相应的测试时间，在达到最小时，可确定测试毛细管对应的土壤综合导热系数及每平米换热量。,地铁围岩温度场模拟,5,将敷设在一衬与防水板之间的毛细管换热器看作面热源，利用Fluent进行温度场模拟，进而得到隧道内围岩温度场分布，并做分析。,5.1模拟方案简介,地铁围岩温度场模拟,5,5.2边界条件设定,岩石内温度为14.6。隧道围岩二衬内壁面与隧道内空气进行对流换热，

20、其对流换热系数实测值设置为10W/（m2K），该边界条件属于第三类边界条件。 一衬、二衬模型材料为混凝土衬砌； 岩石层模型材料为围岩岩土； 表5.1 物性参数表,地铁围岩温度场模拟,5,5.2边界条件设定,隧道内温度夏季维持在28左右，冬季在18左右，春节在22左右，秋季在26左右。,乘客散热,机车散热,活塞风 机械通风,设备灯光散热,. .,地铁围岩温度场模拟,5,5.3模拟结果,5.3.1无毛细管敷设,设备运行四年，每一年（从当年夏天供冷期开始，至次年夏天供冷期开始前结束）运行后的结果模拟结果如下图4.1、4.2、4.3.、4.4所示（取距离隧道顶部、右侧10米范围）。,图5.1 无毛细管

21、敷设运行第一年,图5.2 无毛细管敷设运行第二年,平均温度17.2,平均温度18.80,地铁围岩温度场模拟,5,5.3模拟结果,5.3.1无毛细管敷设,图5.3 无毛细管敷设运行第三年,图5.4 无毛细管敷设运行第四年,平均温度20.63,平均温度19.89,地铁围岩温度场模拟,5,5.3模拟结果,5.3.2有毛细管敷设,夏季（制冷期90天）开启2台热泵机组与1台冷水机组，冬季（供热期141天）仅开启2台热泵机组。 设备全年的实际运行情况为：夏季/冬季每天运行12小时，停机12小时，其余季节设备不运行。 设备运行四年，每一年（从当年夏天供冷期开始，至次年夏天供冷期开始前结束）运行后的模拟结果如下图5.5、5.