倪龍^1,2，周超輝^1,2，李佳恒³，姚楊^1,2
1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院
2 黑龍江省建筑節(jié)能與能源利用重點實驗室
3中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司

      【摘  要】為在可控的邊界條件下研究地表水源熱泵多排螺旋盤管換熱性能及與單排螺旋盤管比較，搭建了低地表水流速下的換熱性能研究實驗臺，開展了換熱介質(zhì)入口溫度、地表水溫度、換熱介質(zhì)和地表水流速對換熱性能影響的一系列實驗。結(jié)果表明，增大換熱介質(zhì)和地表水溫度或者流速均能提高管內(nèi)換熱強度，而管外地表水側(cè)進行混合對流換熱，地表水流速在0.00463 m·s^-1增加到0.01574 m·s^-1時，管外地表水側(cè)Nu分別冬季和夏季分別增長25.6%和20.1%。當(dāng)?shù)乇硭魉俨蛔儯芡鈧?cè)換熱能力取決于對流溫差驅(qū)動的自然對流。通過與其他類似研究對比，認為單排螺旋盤管換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式不能直接應(yīng)用于多排螺旋盤管換熱器，而管外側(cè)對流強度不能忽略流速的影響。

      【關(guān)鍵詞】多排螺旋盤管換熱器；地表水源熱泵；換熱性能；混合對流

      【基金項目】 “十三五”重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0702600）

0 引言

      地表水源熱泵將江河湖水等作為熱源或熱匯，其能效比通常高于常規(guī)的空氣源熱泵^[1] 。松散捆卷盤管式換熱器是地表水源常采用的換熱器之一，為提高管外地表水側(cè)的換熱系數(shù)，并隔斷管段相互重疊的導(dǎo)熱損失，管間應(yīng)保持一定間距^[2] ，此時，換熱器實則就是多排不同盤管直徑連接的多排螺旋盤管。

      在多排螺旋盤管換熱器的研究中，管內(nèi)側(cè)多數(shù)采用直管段或者單排螺旋管對流準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式^[2-4] 。押淑芳^[4]等人在給出地表水源熱泵多排螺旋盤管換熱器設(shè)計線算圖的過程中，管外側(cè)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式是由相關(guān)直管束研究修正而來，結(jié)果缺少實驗論證。而黃盛超等人^[5]對應(yīng)用于地表水源熱泵的單排螺旋盤管進行了實驗研究，但結(jié)果能否推廣到多排螺旋盤管換熱器還有待深入研究。Zheng等人^{[6, 7]}的2排螺旋盤管換熱器和Mitchell等人^[8]多層水平式螺旋盤管換熱器的研究，分別提出了螺旋盤管換熱器在低流速的海水和靜止水體應(yīng)用管外換熱的計算方法，然而管內(nèi)側(cè)的分析均直接引用了單排螺旋盤管的研究成果^[8] 。

      不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有地表水源熱泵多排螺旋盤管換熱器的研究主要借鑒單排管或者直管段換熱理論，而在此基礎(chǔ)上得出的地表水側(cè)的成果有待實驗論證。為此，本文搭建了一個地表水源熱泵多排螺旋盤管換熱器實驗臺，通過水箱和精細化的均流板設(shè)計模擬均勻的地表水流動，研究多排螺旋盤管換熱器在低流速地表水中的換熱性能。

1 實驗方案

      圖1給出了一個4排的多排螺旋盤管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，4排的多排螺旋盤管換熱器是由入口段、出口段以及4個不同直徑的單排螺旋盤管連接而成。換熱器在冬天進行吸熱過程，在夏天進行放熱過程。

      地表水源熱泵多排螺旋盤管換熱器實驗臺如圖2，3所示。主要由負荷制備系統(tǒng)、換熱介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和模擬地表水及溫度控制系統(tǒng)3部分組成。負荷制備系統(tǒng)由室外空調(diào)機、銅管換熱器，給水水箱構(gòu)成。空調(diào)機將制備的冷、熱量通過銅管換熱器傳遞給給水水箱中的換熱介質(zhì)，完成換熱介質(zhì)的制備過程。介質(zhì)循環(huán)環(huán)路系統(tǒng)主要由一個4排的螺旋盤管和供回水箱構(gòu)成。供水箱主要提供螺旋盤管中換熱的循環(huán)水，循環(huán)水與地表水完成換熱后，流入回水箱。螺旋盤管換熱器采用高密度聚乙烯（HDPE）螺旋盤管換熱器。盤管公稱直徑為DN20，盤管外徑為20.3mm，壁厚為2.3mm，內(nèi)徑為15.7mm，管長120m。地表水循環(huán)環(huán)路系統(tǒng)主要通過一臺最大流量為100m3·h^-1單級單吸離心泵提供地表水流動的動力，為防止與外界空氣換熱造成熱損失，管道和水箱均包裹保溫層。表1和表2相關(guān)設(shè)備以及實驗用儀器的測試精度信息，表3為實驗工況對應(yīng)的參數(shù)。

      為獲得較為均勻流動的地表水，水箱兩側(cè)各有一塊均流板，均流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。經(jīng)過一系列的數(shù)值仿真嘗試，最終確定的均流板結(jié)構(gòu)如圖3所示，除掉邊界層區(qū)域外，該結(jié)構(gòu)能保證地表水箱內(nèi)形成近視均勻流，流速波動范圍±17%以內(nèi)。

2 實驗結(jié)果分析

      2.1 變溫度工況

      圖4給出了在改變換熱介質(zhì)入口溫度或地表水溫度時，管內(nèi)換熱介質(zhì)側(cè)Nui以及管外地表水側(cè)Nuo的變化情況。當(dāng)水介質(zhì)溫度上升，動力粘度的降低可以提高介質(zhì)湍流程度。從圖4(a)可以看出，在冬天工況，換熱介質(zhì)入口溫度上升時，管內(nèi)Rei從8477增長至9378，Nui從93.91增大至101.32，增長了8.42%。而當(dāng)?shù)乇硭疁囟壬仙龝r，Rei從8466增長至9398，Nui從95.98增大至100.10，只增長了4.29%。這表明換熱介質(zhì)入口溫度的變化對管內(nèi)換熱能力大于地表水溫度的作用。相同的結(jié)果也發(fā)生在夏天工況，由于此時換熱介質(zhì)的溫度高于冬天，可以發(fā)現(xiàn)管內(nèi)側(cè)Nui明顯高于冬天工況。

      從圖4(b)可以看出，當(dāng)盤管換熱介質(zhì)入口溫度變化時，管外側(cè) 無明顯變化。當(dāng)?shù)乇硭疁囟壬仙龝r，管外側(cè)Reo均有所增大，可在夏天工況時，Nu_o并沒有隨著Re_o的增大而有所提高。在圖4(c)中，可以明顯發(fā)現(xiàn)，Nu_o卻隨著Ra_o增大明顯上升。這是因為當(dāng)?shù)乇硭疁囟壬仙龃罅说乇硭c管外壁的溫差，意味著靠溫差大小驅(qū)動自然對流的強度增大，從而提高了Nu_o。而當(dāng)換熱介質(zhì)入口溫度下降，可以降低管外壁平均溫度，同樣增大了管外側(cè)對流溫差。這些說明當(dāng)?shù)乇硭疁囟然蛘邠Q熱介質(zhì)溫度改變，管外側(cè)地表水側(cè)的換熱強度主要取決于自然對流。

      2.2 變流速工況

      在分別改變換熱介質(zhì)流速和地表水流速的前提下，Nu_i和Nu_o的變化情況如圖5所示。在圖5(a)中看到，當(dāng)換熱介質(zhì)流速變化，Nu_i隨著 的增大而明顯提高。當(dāng)換熱介質(zhì)流速從0.4305m·s^-1增加到0.86095m·s^-1，Nu_i在冬季工況增長了83.2%，而在夏季工況增長了86%。而當(dāng)?shù)乇硭魉俑淖儠r，對管內(nèi)介質(zhì)無明顯影響，Nu_i無明顯差異。

      從圖5(b)看出，當(dāng)?shù)乇硭魉購?.00463 m·s^-1增加到0.01574 m·s^-1時，Nu_o隨Re_o的增大有明顯增大，分別在冬天工況和夏天工況增長了25.6%和20.1%。而在換熱介質(zhì)流速變化時，管內(nèi)側(cè)換熱強度變化明顯，這也影響到了管外壁溫度的變化，進而改變管外側(cè)換熱強度，但Nu_o在變換熱介質(zhì)流速工況的變化范圍相對于變地表水流速工況更小。從圖5(c)可以明顯看出，在變換熱介質(zhì)流速工況下，Nu_o隨著Ra_o增大而增大，此時自然對流作用更明顯。而在變地表水流速時，Nu_o并沒有因為Ra_o增大而有所提高。雖然管外地表水流速的增大，導(dǎo)致地表水和管外壁溫度更為接近，降低自然對流強度，但湍動能力的提高保證了換熱強度，說明地表水流速變化時，管外側(cè)換熱能力取決于強迫對流。

3 與其他研究的比較

      現(xiàn)有地表水源熱泵螺旋盤管換熱器的管內(nèi)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式多引用單排螺旋盤管的成果。圖6給出了單排管計算和實驗結(jié)果的管內(nèi)側(cè)Nui冬夏兩季的對比情況，其中，單排管的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式借鑒了Rogers等人^[9]和Jayakumar等人^[10]在單排螺旋管換熱領(lǐng)域被引用率較高的研究成果。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，多排螺旋盤管換熱器的實驗數(shù)據(jù)在冬季更接近Rogers^[9]的計算結(jié)果，而在夏季Jayakumar^[10]的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式能更好地預(yù)測管內(nèi)側(cè) 。

      對于管外地表水側(cè)Nu_o，本實驗主要針對混合對流，而多排螺旋盤管換熱器關(guān)于混合對流的研究非常少。押淑芳等人^[4]給出的計算關(guān)聯(lián)式在低流速情況下，依舊按照強迫對流方式處理，而Mitchell等人^[8]的實驗只針對自然對流。圖7給出了押淑芳等人^[4]與Mitchell^[8]等人的計算與實驗Nu_o的對比。從圖7(a)可以看出，在低Re_o數(shù)時，由于押淑芳等人的研究并未考慮自然對流的驅(qū)動，低估了管外側(cè)Nu_o，而在Re_o逐漸增大時，差異逐漸減小，但在換熱介質(zhì)溫度變化會影響管外自然對流強度的現(xiàn)象，計算結(jié)果不能捕捉到這一特征。而在圖7(b)發(fā)現(xiàn)，若低地表水流速下只考慮自然對流而忽略強迫對流的作用，計算結(jié)果會明顯小于實際的換熱強度，尤其在地表水流速降低時，Nu_o會明顯降低，對流也更接近純自然對流。這說明即使在低地表水流速的情況，視為混合對流能更好地預(yù)測多排螺旋盤管換熱性能。

4 結(jié)論

      （1）對于管內(nèi)換熱介質(zhì)側(cè)，地表水溫度和介質(zhì)入口溫度或者流速的提高，均能提高管內(nèi)側(cè)換熱強度，介質(zhì)入口溫度和流速作用更明顯，而地表水側(cè)流速的改變對管內(nèi)側(cè)作用不明顯。

      （2）對于管外地表水側(cè)，地表水流速不變時，地表水溫度和介質(zhì)入口溫度或者流速變化時，換熱強度取決于自然對流，而地表水流速從0.00463 m·s^-1增加到0.01574 m·s^-1時，管外側(cè)Nu在冬季和夏季分別增長25.6%和20.1%，地表水湍動對換熱的影響不可忽略。

      （3）單排螺旋盤管的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式不能簡單地直接應(yīng)用于計算多排螺旋盤管的管內(nèi)換熱系數(shù)，而管外地表水側(cè)換熱強度，地表水流速與管外側(cè)對流溫差的影響均需考慮。

參考文獻

       [1] Schibuola L, Scarpa M. Experimental analysis of the performances of a surface water source heat pump[J]. Energy & Buildings. 2016, 113: 182-188.
       [2] 陳曉. 地表水源熱泵理論及應(yīng)用[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011.
       [3] 陳曉，張國強，林宣軍，等. 夏熱冬冷地區(qū)閉式湖水源熱泵系統(tǒng)的運行特性分析[J]. 太陽能學(xué)報. 2010, 31(11): 1452-1457.
       [4] 押淑芳，倪龍，馬最良. 地表水源熱泵塑料螺旋管換熱器面積設(shè)計[J]. 建筑科學(xué). 2011(04): 84-88.
       [5] 黃盛超，陳建偉，黎明，等. 聚合物螺旋盤管換熱器的流阻與傳熱特性試驗研究[J]. 制冷與空調(diào). 2016, 16(12): 56-59.
       [6] Zheng Wandong, Ye Tianzhen, You Shijun, et al. The thermal performance of seawater-source heat pump systems in areas of severe cold during winter[J]. Energy Conversion and Management. 2015, 90: 166-174.
       [7] Zheng Wandong, Ye Tianzhen, You Shijun, et al. Experimental investigation of the heat transfer characteristics of a helical coil heat exchanger for a seawater-source heat pump[J]. Journal of Energy Engineering. 2016, 142(040150131).
       [8] Mitchell M S, Hansen G M, Spitler J D. Experimental development of natural convection heat transfer correlations for spiral-helical surface water heat exchangers (1385-RP)[J]. Science & Technology for the Built Environment. 2017(1).
       [9] Rogers G F C, Mayhew Y R. Heat transfer and pressure loss in helically coiled tubes with turbulent flow[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer. 1964, 7(11): 1207-1216.
      [10] Jayakumar J S, Mahajani S M, Mandal J C, et al. CFD analysis of single-phase flows inside helically coiled tubes[J]. Computers & Chemical Engineering. 2010, 34(4): 430-446. 

      備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會文集）。
                版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。