倪龙^1,2，周超辉^1,2，李佳恒³，姚杨^1,2
1 哈尔滨工业大学建筑学院
2 黑龙江省建筑节能与能源利用重点实验室
3中国建筑西南设计研究院有限公司

      【摘  要】为在可控的边界条件下研究地表水源热泵多排螺旋盘管换热性能及与单排螺旋盘管比较，搭建了低地表水流速下的换热性能研究实验台，开展了换热介质入口温度、地表水温度、换热介质和地表水流速对换热性能影响的一系列实验。结果表明，增大换热介质和地表水温度或者流速均能提高管内换热强度，而管外地表水侧进行混合对流换热，地表水流速在0.00463 m·s^-1增加到0.01574 m·s^-1时，管外地表水侧Nu分别冬季和夏季分别增长25.6%和20.1%。当地表水流速不变，管外侧换热能力取决于对流温差驱动的自然对流。通过与其他类似研究对比，认为单排螺旋盘管换热准则关联式不能直接应用于多排螺旋盘管换热器，而管外侧对流强度不能忽略流速的影响。

      【关键词】多排螺旋盘管换热器；地表水源热泵；换热性能；混合对流

      【基金项目】 “十三五”重点研发计划项目（2017YFC0702600）

0 引言

      地表水源热泵将江河湖水等作为热源或热汇，其能效比通常高于常规的空气源热泵^[1] 。松散捆卷盘管式换热器是地表水源常采用的换热器之一，为提高管外地表水侧的换热系数，并隔断管段相互重叠的导热损失，管间应保持一定间距^[2] ，此时，换热器实则就是多排不同盘管直径连接的多排螺旋盘管。

      在多排螺旋盘管换热器的研究中，管内侧多数采用直管段或者单排螺旋管对流准则关联式^[2-4] 。押淑芳^[4]等人在给出地表水源热泵多排螺旋盘管换热器设计线算图的过程中，管外侧准则关联式是由相关直管束研究修正而来，结果缺少实验论证。而黄盛超等人^[5]对应用于地表水源热泵的单排螺旋盘管进行了实验研究，但结果能否推广到多排螺旋盘管换热器还有待深入研究。Zheng等人^{[6, 7]}的2排螺旋盘管换热器和Mitchell等人^[8]多层水平式螺旋盘管换热器的研究，分别提出了螺旋盘管换热器在低流速的海水和静止水体应用管外换热的计算方法，然而管内侧的分析均直接引用了单排螺旋盘管的研究成果^[8] 。

      不难发现，现有地表水源热泵多排螺旋盘管换热器的研究主要借鉴单排管或者直管段换热理论，而在此基础上得出的地表水侧的成果有待实验论证。为此，本文搭建了一个地表水源热泵多排螺旋盘管换热器实验台，通过水箱和精细化的均流板设计模拟均匀的地表水流动，研究多排螺旋盘管换热器在低流速地表水中的换热性能。

1 实验方案

      图1给出了一个4排的多排螺旋盘管换热器结构示意图。如图1所示，4排的多排螺旋盘管换热器是由入口段、出口段以及4个不同直径的单排螺旋盘管连接而成。换热器在冬天进行吸热过程，在夏天进行放热过程。

      地表水源热泵多排螺旋盘管换热器实验台如图2，3所示。主要由负荷制备系统、换热介质循环系统和模拟地表水及温度控制系统3部分组成。负荷制备系统由室外空调机、铜管换热器，给水水箱构成。空调机将制备的冷、热量通过铜管换热器传递给给水水箱中的换热介质，完成换热介质的制备过程。介质循环环路系统主要由一个4排的螺旋盘管和供回水箱构成。供水箱主要提供螺旋盘管中换热的循环水，循环水与地表水完成换热后，流入回水箱。螺旋盘管换热器采用高密度聚乙烯（HDPE）螺旋盘管换热器。盘管公称直径为DN20，盘管外径为20.3mm，壁厚为2.3mm，内径为15.7mm，管长120m。地表水循环环路系统主要通过一台最大流量为100m3·h^-1单级单吸离心泵提供地表水流动的动力，为防止与外界空气换热造成热损失，管道和水箱均包裹保温层。表1和表2相关设备以及实验用仪器的测试精度信息，表3为实验工况对应的参数。

      为获得较为均匀流动的地表水，水箱两侧各有一块均流板，均流板的结构设计至关重要。经过一系列的数值仿真尝试，最终确定的均流板结构如图3所示，除掉边界层区域外，该结构能保证地表水箱内形成近视均匀流，流速波动范围±17%以内。

2 实验结果分析

      2.1 变温度工况

      图4给出了在改变换热介质入口温度或地表水温度时，管内换热介质侧Nui以及管外地表水侧Nuo的变化情况。当水介质温度上升，动力粘度的降低可以提高介质湍流程度。从图4(a)可以看出，在冬天工况，换热介质入口温度上升时，管内Rei从8477增长至9378，Nui从93.91增大至101.32，增长了8.42%。而当地表水温度上升时，Rei从8466增长至9398，Nui从95.98增大至100.10，只增长了4.29%。这表明换热介质入口温度的变化对管内换热能力大于地表水温度的作用。相同的结果也发生在夏天工况，由于此时换热介质的温度高于冬天，可以发现管内侧Nui明显高于冬天工况。

      从图4(b)可以看出，当盘管换热介质入口温度变化时，管外侧 无明显变化。当地表水温度上升时，管外侧Reo均有所增大，可在夏天工况时，Nu_o并没有随着Re_o的增大而有所提高。在图4(c)中，可以明显发现，Nu_o却随着Ra_o增大明显上升。这是因为当地表水温度上升，增大了地表水与管外壁的温差，意味着靠温差大小驱动自然对流的强度增大，从而提高了Nu_o。而当换热介质入口温度下降，可以降低管外壁平均温度，同样增大了管外侧对流温差。这些说明当地表水温度或者换热介质温度改变，管外侧地表水侧的换热强度主要取决于自然对流。

      2.2 变流速工况

      在分别改变换热介质流速和地表水流速的前提下，Nu_i和Nu_o的变化情况如图5所示。在图5(a)中看到，当换热介质流速变化，Nu_i随着 的增大而明显提高。当换热介质流速从0.4305m·s^-1增加到0.86095m·s^-1，Nu_i在冬季工况增长了83.2%，而在夏季工况增长了86%。而当地表水流速改变时，对管内介质无明显影响，Nu_i无明显差异。

      从图5(b)看出，当地表水流速从0.00463 m·s^-1增加到0.01574 m·s^-1时，Nu_o随Re_o的增大有明显增大，分别在冬天工况和夏天工况增长了25.6%和20.1%。而在换热介质流速变化时，管内侧换热强度变化明显，这也影响到了管外壁温度的变化，进而改变管外侧换热强度，但Nu_o在变换热介质流速工况的变化范围相对于变地表水流速工况更小。从图5(c)可以明显看出，在变换热介质流速工况下，Nu_o随着Ra_o增大而增大，此时自然对流作用更明显。而在变地表水流速时，Nu_o并没有因为Ra_o增大而有所提高。虽然管外地表水流速的增大，导致地表水和管外壁温度更为接近，降低自然对流强度，但湍动能力的提高保证了换热强度，说明地表水流速变化时，管外侧换热能力取决于强迫对流。

3 与其他研究的比较

      现有地表水源热泵螺旋盘管换热器的管内准则关联式多引用单排螺旋盘管的成果。图6给出了单排管计算和实验结果的管内侧Nui冬夏两季的对比情况，其中，单排管的准则关联式借鉴了Rogers等人^[9]和Jayakumar等人^[10]在单排螺旋管换热领域被引用率较高的研究成果。从图6可以发现，多排螺旋盘管换热器的实验数据在冬季更接近Rogers^[9]的计算结果，而在夏季Jayakumar^[10]的准则关联式能更好地预测管内侧 。

      对于管外地表水侧Nu_o，本实验主要针对混合对流，而多排螺旋盘管换热器关于混合对流的研究非常少。押淑芳等人^[4]给出的计算关联式在低流速情况下，依旧按照强迫对流方式处理，而Mitchell等人^[8]的实验只针对自然对流。图7给出了押淑芳等人^[4]与Mitchell^[8]等人的计算与实验Nu_o的对比。从图7(a)可以看出，在低Re_o数时，由于押淑芳等人的研究并未考虑自然对流的驱动，低估了管外侧Nu_o，而在Re_o逐渐增大时，差异逐渐减小，但在换热介质温度变化会影响管外自然对流强度的现象，计算结果不能捕捉到这一特征。而在图7(b)发现，若低地表水流速下只考虑自然对流而忽略强迫对流的作用，计算结果会明显小于实际的换热强度，尤其在地表水流速降低时，Nu_o会明显降低，对流也更接近纯自然对流。这说明即使在低地表水流速的情况，视为混合对流能更好地预测多排螺旋盘管换热性能。

4 结论

      （1）对于管内换热介质侧，地表水温度和介质入口温度或者流速的提高，均能提高管内侧换热强度，介质入口温度和流速作用更明显，而地表水侧流速的改变对管内侧作用不明显。

      （2）对于管外地表水侧，地表水流速不变时，地表水温度和介质入口温度或者流速变化时，换热强度取决于自然对流，而地表水流速从0.00463 m·s^-1增加到0.01574 m·s^-1时，管外侧Nu在冬季和夏季分别增长25.6%和20.1%，地表水湍动对换热的影响不可忽略。

      （3）单排螺旋盘管的准则关联式不能简单地直接应用于计算多排螺旋盘管的管内换热系数，而管外地表水侧换热强度，地表水流速与管外侧对流温差的影响均需考虑。

参考文献

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       [4] 押淑芳，倪龙，马最良. 地表水源热泵塑料螺旋管换热器面积设计[J]. 建筑科学. 2011(04): 84-88.
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      [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. 

      备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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