垂直U型埋管換熱器全年試驗分析及模擬★

胡 寧 王晏平 李雪飛

(安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601)

·水·暖·電·

垂直U型埋管換熱器全年試驗分析及模擬★

胡 寧 王晏平 李雪飛

(安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601)

通過分析，建立了120 m深垂直U型埋管換熱器及土壤溫度場的數(shù)學(xué)模型，并就典型氣候條件下?lián)Q熱器的換熱性能及周圍土壤溫度場的變化情況進(jìn)行了實測分析及數(shù)值模擬，為夏熱冬冷地區(qū)地埋管換熱器系統(tǒng)的設(shè)計、施工提供一定參考。

地源熱泵系統(tǒng)，垂直U型地埋管換熱器，模擬，ANSYS

0 引言

地源熱泵系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)最大區(qū)別在于多了一個地埋管換熱器，而我國大部分區(qū)域空調(diào)夏季冷負(fù)荷往往大于冬季熱負(fù)荷，在這種情況下，地埋管換熱器周圍容易出現(xiàn)冷熱量不平衡，系統(tǒng)運行若干年以后，換熱器周圍土壤溫度升高，雖有利于冬季運行，但對系統(tǒng)在夏季運行不利，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)不能運行[1，2]?；诖?，本文試驗分析合肥地區(qū)典型工作條件下垂直單U型埋管換熱器的運行性能及換熱器周圍土壤溫度變化情況，并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為夏熱冬冷地區(qū)實際工程提供一定的參考。

1 模型建立

1.1 物理模型

換熱器與其周圍土壤傳熱過程可視為在半無限大介質(zhì)中與土壤進(jìn)行熱量交換的過程，基于此，其傳熱采用線熱源模型。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1)換熱器內(nèi)流體傳熱方程。

(1)

其中，Tf為換熱器內(nèi)流體溫度，℃；u為換熱器內(nèi)流體速度，m/s；Tp為換熱器管壁溫度，℃；α為管壁與換熱器內(nèi)流體對流換熱系數(shù)，W/(m·℃)；ρf為流體密度，kg/m3；cf為流體比熱容，J/(kg·℃)。

2)U型管壁導(dǎo)熱。

(2)

其中，Tp為管壁溫度，℃；ρp為管壁密度，kg/m3；cp為管壁比熱容，J/(kg·℃)；λp為管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

3)回填材料導(dǎo)熱。

(3)

其中，Th為回填材料溫度，℃；ρh為回填材料密度，kg/m3；ch為回填材料比熱容，J/(kg·℃)；λh為回填材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

4)土壤導(dǎo)熱。

(4)

其中，Ts為土壤溫度，℃；ρs為土壤密度，kg/m3；cs為土壤比熱容，J/(kg·℃)；λs為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

5)初始條件。

t=0，Tf=Tp=Th=Ts=T0，T0為換熱器周圍土壤的初始溫度。

6)邊界條件。

(5)

(6)

(7)

(8)

遠(yuǎn)邊界層：

T∞=Ts=T0

(9)

(10)

7)流體進(jìn)口。

Tf(z=0)=Tfin

(11)

2 試驗

試驗地埋管換熱器打井相對位置如圖1所示，其中1～4為運行井，井深120 m，a～f為測試井，井深100 m。打井孔徑均為110 mm，U型管采用DN25高密度聚乙烯管。

2.1 取熱工況

試驗開始階段對地溫進(jìn)行了測量，所測數(shù)據(jù)如圖2所示。

經(jīng)過對系統(tǒng)的調(diào)試，綜合系統(tǒng)壓降等因素選取0.6 m/s作為試驗流速，熱泵機(jī)組連續(xù)運行，運行一段時間后，地埋管進(jìn)出口水溫逐漸趨于平緩，如圖3所示。單位井深換熱量、系統(tǒng)COP及進(jìn)出口水溫變化分別見圖4，圖5。

由圖3～圖5可看出，開始運行時換熱器進(jìn)出口水溫均降低，運行一段時間后基本達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)出口水溫差也基本達(dá)到穩(wěn)定。數(shù)據(jù)分析得到換熱器的單位井深換熱量為60.1 W/m，系數(shù)COP平均值4.3 W/W。

2.2 放熱工況

7月20日～26日進(jìn)行了土壤原始地溫測試，如圖6，圖7所示。

由圖8～圖10可看出，系統(tǒng)開始運行時，換熱器進(jìn)、出口水溫均有較大幅度上升，運行約8 h后，進(jìn)、出口水溫差基本趨于穩(wěn)定值。系統(tǒng)運行后的第5天，測得單位井深換熱量比第1天減少了2 W/m。整個運行階段單位井深換熱量為79.3 W/m，系統(tǒng)COP平均值2.95。

2.3 數(shù)值模擬分析

盡管換熱機(jī)理一樣，但不同季節(jié)地埋管換熱器與其周圍土壤的換熱情況有所不同，而地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵問題在于系統(tǒng)運行若干年后地下土壤是否能夠保持熱平衡。根據(jù)實驗?zāi)Ｐ停M地源熱泵在運行一個冬季和夏季后換熱器周圍土壤溫度變化情況，模擬結(jié)果如圖11～圖14所示。由圖11～圖14可以看出，系統(tǒng)運行若干年后，換熱器周圍土壤溫度均有升高。運行1年后，換熱器周圍土壤溫度升高了1.1 ℃，運行5年后，土壤溫度升高了3 ℃?？梢?，在供冷負(fù)荷大于供熱負(fù)荷的地區(qū)來說，單純采用地埋管換熱系統(tǒng)會導(dǎo)致地下土壤出現(xiàn)熱不平衡，存在一定熱堆積現(xiàn)象。

3 結(jié)語

通過試驗及模擬分析得到，系統(tǒng)運行若干年后，地埋管換熱器周圍土壤溫度有所升高，第5年運行結(jié)束后，土壤溫度上升了3 ℃，地下存在一定熱堆積。因此，工程設(shè)計中應(yīng)考慮采用其他方法保證地下冷熱量達(dá)到平衡，具體做法有：

1)采用混合式系統(tǒng)。冬季采用熱負(fù)荷埋管，夏季采用冷卻塔輔助散熱。埋管分區(qū)域連接，并且與機(jī)組相對應(yīng)，主機(jī)選型采取“熱泵機(jī)組+單冷機(jī)組”形式。對于重要建筑，主機(jī)可以全部選用熱泵機(jī)組，并且每臺機(jī)組都配以冷卻塔，相對來說，這增加了初投資，但保證了系統(tǒng)的夏季運行。2)當(dāng)埋管面積較大，且冷熱負(fù)荷不大時，可以采取按負(fù)荷較大者確定地埋管數(shù)量，此種埋管方式適合于別墅類小型建筑。3)本文并未考慮地下水滲流等因素對換熱結(jié)果的影響，此方面工作有待進(jìn)一步開展。

[1] 李新國.埋地?fù)Q熱器內(nèi)熱源理論與地源熱泵運行特性研究[D].天津:天津大學(xué),2004.

[2] 宋著坤,趙 軍，李新國，等.地源熱泵冬夏兩季運行性能分析與實驗研究[J].流體機(jī)械,2006,34(2):55-57.

[3] 趙桂章，浦培林，周遵凱.地源熱泵的發(fā)展現(xiàn)狀及新方法研究[J].山西建筑，2013，39(7)：124-125.

ExperimentalandsimulantstudyonverticalU-tubeundergroundheatexchanger★

HUNingWANGYan-pingLIXue-fei

(AnhuiJianzhuUniversity，Hefei230601，China)

A 120 meters vertical U-tube heat exchanger was theoretically analysed, the mathematic model of heat exchanger was established.It experimentally studies heat transfer performance of the Ground Heat Exchange(GHE) and the surround temperature distribution under continuous operation modes in the typical climate. Last, the finite element analysis software ANSYS was used to simulate the long-time operation mode of the GHE, which affords reference to the construction of the GSHP system.

Ground-Source Heat Pump, vertical U-tube underground heat exchanger, simulation, ANSYS

1009-6825(2014)33-0112-03

2014-09-13

胡 寧(1981- )，男，碩士，助教； 王晏平(1959- )，男，副教授； 李雪飛(1980- )，男，碩士，助教

TU833

：A

★：安徽建筑大學(xué)校青年科研專項項目“大規(guī)模地源熱泵在合肥地區(qū)應(yīng)用可行性研究”支持(項目編號：2012nyjy-校青年-06)