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    高海拔地區基于微熱管陣列的標準孔板流量計系統可行性分析

    作者: 來源: 發布時間:2019-10-21 10:58:26

        摘 要:文章利用物理砂箱模型,證明了在高海拔地區采用基于微熱管陣列的標準孔板流量計系統是可行的,并通過對微熱管陣列式地暖系統的溫升性能、均溫性能、換熱功率進行了相關測試。結果表明:微熱管陣列式地暖系統的熱響應時間約2.48h,比相同條件下傳統PE-X管地暖系統快0.65h,具有溫升快、熱損小的優點,且微熱管陣列式地暖系統具備更為良好的均溫性,其供暖橫向面的zui大溫差值為1℃左右,供暖舒適性更佳,同時在相同供暖要求下,微熱管陣列式地暖系統的換熱功率比傳統PE-X管地暖系統高45.2W/㎡,因此更高效、更節能。

        隨著中國經濟的不斷發展,既要滿足建筑物室內供暖需求,又要達到能源的節能減排,實現“綠色建筑”,已成為當今社會經濟的主流發展趨勢,且建筑能耗已與工業能耗、交通能耗并稱為我國三大“耗能大戶”[1]。而對于高海拔地區的供暖系統,主要可以從以下三個方面降低其能耗量:熱源、管路及末端[2]。熱源上可以通過采用太陽能、地源熱泵、空氣源熱泵等清潔能源方式;管路上可以通過合理安裝布局、盡量削減管路彎頭等減阻力方式;而在末端處,則可以采用更為高效的傳熱元件,減小其末端熱阻的熱損失等方式。同時根據《拉薩市能源發展規劃(2016—2025年)》提出的:“至2020年,通過太陽能等新能源建筑應用替代常規能源65萬噸標煤,新建建筑太陽能熱水的使用比例力爭達100%,50%以上的新建居住建筑和30%的新建公共建筑采用太陽能供暖系統供暖”和熱管技術的不斷進步發展,文章提出在高海拔地區運用基于微熱管陣列的標準孔板流量計系統。張于峰、郝斌等[2]通過將圓形熱管運用于地暖系統,得出在熱管間距為300 mm、供水溫度為35-45℃、供水流量為0.1-0.3m3/h 的運行條件下,地板的散熱量和表面溫度基本可滿足供暖房間的需要。董瑞雪、全貞花等[3]對采用微熱管陣列的地暖系統做了實驗研究,結果表明,采用微熱管陣列的地暖系統其傳熱功率高達 154.93W/m2,相比傳統 PE-X 管地暖系統高29.33W/m2。鄭汝奎、劉乃玲等[4]對太陽能-空氣能復合能源供暖系統做了結構設計和運行原理分析,得出系統能耗與太陽能貢獻率f成反比關系,太陽能貢獻率f越大,系統能耗越小。郝紅、職佳敏等[5]研究了嚴寒地區太陽能-地源熱泵與熱網互補供熱系統的運行特性,確定了更適合嚴寒地區的運行模式,并表明兩套地埋管的運行模式更加適合嚴寒地區互補供熱系統的長年運行。鑒于國內外對于將微熱管陣列與太陽能相結合,并運用于地暖系統中的研究還十分空白,因此筆者利用特制的異型管,通過直接傳熱,采用太陽能作為熱源,將微熱管陣列運用于地暖系統末端處的可行性分析,對于新型地暖系統的開發具有一定的指導意義。

        1 實驗系統
        1.1 系統原理
        文章中利用物理砂箱模型,模擬基于微熱管陣列的標準孔板流量計系統,砂箱尺寸為1.5m×1.2m×1.1m(長× 寬×高),整個系統主要分為四部分:太陽能熱源(恒溫水箱替代)、供暖房間(砂箱凈空間)、供暖管路系統、供暖末端(充裝R141b的微熱管陣列/傳統PE-X地暖管),具體工作原理如圖1所示。利用恒溫水箱作為熱源模擬太陽能集熱器部分,其所提供的熱水經控制閥后,通過分水器流入特制的異型管,熱水在異型管中與微熱管陣列進行直接換熱,熱量由微熱管陣列的蒸發段流向冷凝段,再從冷凝段通過輻射和對流換熱傳至室內,換熱后的熱水再通過集水器流向恒溫水箱,如此反復,從而為室內提供源源不斷的熱量,達到室內供暖的目的。

     

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        1.2 實驗步驟及計算公式
        打開恒溫水箱,啟動循環水泵,通過控制閥將供水流量調節至所需大小;打開數據采集儀,開始數據收集;開啟電加熱器,加熱恒溫水箱至所需溫度值,根據不同工況設定不同的供水溫度;待砂箱內地面溫度、空氣溫度穩定后,持續運行0.5h,再停止電加熱器和循環水泵的運行,使恒溫水箱不再持續供熱,等待砂箱內地面溫度、空氣溫度恢復至實驗前溫度值,再重復上訴步驟,并通過改變供水溫度和供水流量來實現不同工況下的運行模式,進行下一步測試。本文中砂箱內的換熱方式主要為輻射換熱和對流換熱,具體計算公式如下:

     

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        式中:Q為砂箱內的總換熱量,W/m2;Q1為對流換熱量,W/m2;Q2 為輻射換熱量,W/m2。

     

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        式中:h為砂箱內地面對流換熱系數,W/(m2·℃);td為砂箱內地面均溫,℃;tk為砂箱內空氣均溫,℃。其中砂箱內地面的對流換熱系數,采用文獻[6-8]中的計算方法:

     

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        式中:Dd 為砂箱內地面的當量直徑,m;H為拉薩的海拔高度,取3650m。

     

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        式中:Fi為砂箱內除地面外圍護結構的表面積, m2;ti為除地面外圍護結構的表溫,℃。

        2 結果對比
        2.1 相同工況下的溫升性對比
        當管中心間距均為100mm,供水管徑均為Φ16mm時,根據《采暖通風與空氣調節設計規范》,常用水暖地暖系統的管內熱媒流速宜為0.35-0.5m/s,供水溫度宜為35-50℃(≤60℃),因此設定工況條件為:供水流量均為 400L/h(流速為 0.55m/s),供水溫度分別為 35℃和45℃。從系統開始運行至達到穩定狀態,分析微熱管陣列式地暖系統和傳統PE-X管地暖系統的熱響應時間,以評價其溫升性能。如圖2所示,當供水溫度均為35℃時,系統穩定運行后,微熱管陣列式地暖系統的熱響應時間約2.48h,地面均溫為29.1℃,而傳統PE-X管地暖系統的熱響應時間約3.13h,地面均溫為27.7℃,因此在相同工況條件下,微熱管陣列式地暖系統的溫升速度快于傳統PE-X管地暖系統,且熱損失更小,熱利用效率更高。同時,隨著供水溫度的升高,微熱管陣列式地暖系統的熱響應時間進一步縮短,如當供水溫度由35℃升高至45℃時,熱響應時間由2.48h減小至2.25h。

     

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        2.2 相同工況下的均溫性對比
        為評價兩種供暖系統的均溫性,選取砂箱內末端裝置的橫向面一半作為測試對象,分別對其均溫性進行測試。選定測試工況條件為:管中心間距仍為100mm,供水管徑均為Φ16mm,供水流量均為400L/h,供水溫度均為40℃。由砂箱邊緣至中心分布布置5個測溫點,測溫點間距為100mm,待系統分別運行至穩定狀態后,結果如圖3所示。微熱管陣列式地暖系統的均溫性優于傳統PE-X管地暖系統,在砂箱內末端裝置的橫向面中,微熱管陣列式地暖系統的zui高溫度和zui低溫度差值僅為1℃左右,而傳統PE-X管地暖系統的zui大溫度差值約2.5℃,且溫度分布的不均勻性隨橫向面距離的增大而加劇。因此在供暖效果上,微熱管陣列式地暖系統優于傳統PE-X管地暖系統。

     

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        2.3 換熱性能
        為充分與實際工程應用中的傳統PE-X管地暖系統形成對比,設置微熱管陣列的中心間距為200mm,選定供水溫度分別為:35℃、45℃、55℃,供水流量分別為250L/h、300L/h、350L/h、400L/h,此時供水流速分別為:0.35m/s、0.41m/s、0.48m/s、0.55m/s,以滿足實際工程應用情況,其系統的換熱量及換熱功率如表 1 所 示。當供水溫度為 35-45℃時,砂箱內空氣溫度為22.2-24.8℃,已能滿足人體的溫度需求(冬天zui宜人的室內溫度是:18-25℃),因此微熱管陣列式地暖系統相比傳統PE-X管地暖系統的供水溫度要低5℃,且在相同供暖要求下,微熱管陣列式地暖系統的換熱功率為170.8W/㎡,而傳統PE-X管地暖系統的換熱功率為125. 6W/㎡[9],相同條件下比傳統PE-X管地暖系統高45.2W/㎡,所以微熱管陣列式地暖系統的熱源溫度要求更低,換熱更為高效,系統更為節能。

     

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        3 結論
        文章利用物理砂箱實驗,對在高海拔地區采用基于微熱管陣列的標準孔板流量計系統做了可行性分析,通過一系列的實驗分析,證實了在高海拔地區采用微熱管陣列式地暖系統是可行的,并得出主要結論如下:當供水溫度為35℃時,系統穩定運行后,微熱管陣列式地暖系統的熱響應時間約 2.48h,地面均溫為29.1℃,在相同工況條件下,溫升速度比傳統PE-X管地暖系統快0.65h,地面均溫高1.4℃,因此微熱管陣列式地暖系統具有溫升快、熱損小的優點。且微熱管陣列式地暖系統的溫升速度隨供水溫度的升高而減小。

        微熱管陣列式地暖系統具備更為良好的均溫性,其供暖橫向面的zui大溫差值為1℃左右,而傳統PE-X管地暖系統的zui大溫差值約2.5℃,因此微熱管陣列式地暖系統的供暖舒適性更佳。

        微熱管陣列式地暖系統的供水溫度在35-45℃時,已可滿足室內需求,相比傳統PE-X管地暖系統,其供水溫度可降低5℃,因此熱源需求更低。且在相同供暖要求下,微熱管陣列式地暖系統的換熱功率比傳統PE-X管地暖系統高45.2W/㎡,因此更高效、更節能。

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