三種埋管換熱器換熱性能的模擬與實驗研究

傅俊萍，石 沛，李 江

(長沙理工大學 能源與動力工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

地埋管換熱技術(shù)作為一種空調(diào)節(jié)能技術(shù)，在保護環(huán)境以及節(jié)約系統(tǒng)運行費用等方面，都有很大的發(fā)展?jié)摿?。而埋管的換熱效果、周圍土壤情況以及系統(tǒng)冷、熱負荷的平衡等是決定埋管負荷設計的主要因素［1－2］。本文研究主要是針對淺層(埋管15 m深)單、雙U 型及套管式地埋管的相關(guān)研究，通過對單、雙U 型及套管式地埋管進行數(shù)值模擬與實驗研究相結(jié)合的方法，得到三種常用豎直地埋管的換熱特性以及埋管形式對周圍土壤溫度場的影響。

1 地埋管換熱器數(shù)值模擬

本文主要模擬了管徑為DN32、管心間距為60 mm的單U 埋管及雙U 交叉埋管和內(nèi)進外出(內(nèi)管DN32、外管DN63)的同軸套管式地埋管，在流速分別為0．6 m/s、1．0 m/s 及1．5 m/s 情況下的換熱情況，得到各地埋管的換熱量及土壤溫度的變化情況。為了便于埋管換熱的模擬分析，特作以下假設:(1)周圍土壤與回填材料的各類物性參數(shù)恒定;

(2)忽略沿土壤豎直方向的熱量交換;

(3)套管換熱器內(nèi)部不存在熱量回流現(xiàn)象;

(4)忽略埋管鉆孔之間的傳熱，忽略埋管與回填材料之間、回填材料與鉆孔壁面之間的附加熱阻［3－7］。

1．1 物理模型

利用Gambit 軟件進行物理模型建立及網(wǎng)格劃分。由于埋管內(nèi)流體運動劇烈，管內(nèi)溫度變化是本次模擬的主要目的，因此采用小單位網(wǎng)格進行密分，土壤溫度的變化幅度較小，且模型中土壤部分的尺寸較大，可使用大網(wǎng)格進行劃分。如圖1 為地埋管換熱器的網(wǎng)格劃分示意圖。

圖1 地埋管換熱器網(wǎng)格劃分示意圖

1．2 數(shù)學模型選擇及邊界設定

模型采用標準的k－ε 模型，入口邊界設為速度入口，出口邊界設為自由出流。將管內(nèi)循環(huán)流體與埋管壁面之間的換熱邊界條件定義為耦合換熱邊界;因本次模擬的地埋管換熱器埋管周圍的土壤半徑設定的是2 m，將2 m 處的土壤壁面設為恒溫邊界條件;將埋管模型0 m 處壁面及土壤底部邊界設定為絕熱邊界條件。

1．3 模擬結(jié)果及分析

通過模擬可以得到三種形式埋管在不同流速時的換熱量如表1。而單位井深換熱能力是衡量地埋管換熱效果常用的評價方式，同時也是確定地埋管設計容量、確定熱泵參數(shù)、選擇循環(huán)泵流量與揚程、計算地埋管數(shù)量與尺寸等的依據(jù)。由于本文研究的埋管深度H 為15 m，從而根據(jù)公式(1)可得出三種形式埋管不同流速下單位井深換熱量如表2。

式中

q——單位井深換熱量/W·m－1;

Q——總換熱量/W;

H——埋管深度/m。

表1 模擬工況下三種形式埋管不同流速時換熱量

表2 模擬工況下三種形式埋管不同流速時單位井深換熱量

通過對兩表分析可知，在數(shù)值模擬中，同等流速下三種形式的埋管，以套管式埋管的換熱能力最大，單位井深換熱量約是雙U 埋管換熱量的1．18 倍，單U 埋管換熱量的1．29 倍。三種形式埋管在流速不同時換熱量也不相同，均隨流速的增大而增大。而流速不同時三種形式埋管對土壤溫度場的作用效果也不相同，在模擬流速下(0．6 m/s、1．0 m/s、1．5 m/s)，提高循環(huán)水的速度會明顯地增加每米井深埋管換熱量。

2 地埋管換熱器實驗研究

2．1 實驗方法及裝置

實驗主要針對三種不同流速(0． 6 m/s、1．0 m/s、1．5 m/s)下，對夏季工況單、雙U 型及套管式埋管的換熱量及土壤溫度場的變化進行的實驗研究，進口溫度控制在40℃。本次實驗測試，實驗裝置與地下埋管連接處采用相同管徑的PE100 管作為進出口管段。［8－9］流速測試即為連接管段處的流速測定。實驗測試期間，天氣以晴天為主，每組實驗測試時間為22 h。測試系統(tǒng)如圖2 所示。在水泵進出口分別安裝一個熱電阻，測量記錄埋管進出口的水溫;在三種埋管的鉆口徑向方向設置兩個熱電阻(1#、2#)［10－12］，水平間距為500 mm，埋深為3 m，測點布置如圖3 所示。

2．2 實驗結(jié)果及分析

三種形式地埋管的換熱量均可通過公式(2)計算

Q=CmΔt (2)

式中 Q——地埋管換熱量/W;

m——埋管管內(nèi)質(zhì)量流量/kg·s－1;

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖

圖3 土壤溫度場測點布置圖

C——水的比熱容/J·kg－1;

△t——埋管進出口水的溫差/℃。

2．2．1 單U 型地埋管換熱器實驗結(jié)果及分析

單U 型地埋管換熱器是工程中常用的豎直埋管換熱器。本次實驗測試的單U 型地埋管，管徑為DN32，支管間距為60 mm。實驗結(jié)果表明:三種不同流速時，地埋管的換熱量不同，土壤溫度場的變化情況也不相同。通過換熱量計算發(fā)現(xiàn):在流速為1.5 m/s 時，單U 埋管換熱量最大，此時土壤溫度場的變化也較劇烈;但進出口的溫差卻最小。單U 埋管換熱器在不同流速時的換熱量結(jié)果如表6 中所示，單位井深換熱量如表7 中所示，表3 為相應流速時土壤溫度場的變化情況。

表3 實驗工況下單U 埋管土壤溫度場測點溫差

2．2．2 雙U 型地埋管換熱器實驗結(jié)果及分析

本次實驗中雙U 型地埋管即是采用交叉埋管形式，管徑DN32、管心間距60 mm?？梢园l(fā)現(xiàn):雙U型埋管的進出溫差明顯大于同等流速工況時的單U型埋管，換熱量也明顯高于單U 型埋管。通過對換熱量的計算可發(fā)現(xiàn)，雙U 型埋管的換熱量約是同等工況下單U 埋管的1．1 倍。地埋管運行一段時間后，土壤溫度場的變化與單U 埋管相比更為劇烈。雙U 地埋管換熱器不同流速下的換熱量結(jié)果如表6中所示，單位井深換熱量如表7 中所示，表4 為相應流速時土壤溫度場的變化情況。

表4 實驗工況下雙U 埋管土壤溫度場測點溫差

2．2．3 套管式地埋管換熱器實驗結(jié)果及分析

實驗中套管式埋管采用內(nèi)進外出、內(nèi)管DN32外管DN63 的同軸套管進行研究。通過實驗測試結(jié)果可發(fā)現(xiàn):套管式埋管的換熱能力總體比所測試的單、雙U 型埋管的換熱能力都強。這是由于套管式埋管的換熱面積相對于U 型埋管更大，在相同流速情況下，套管內(nèi)流體的湍流狀態(tài)更為劇烈。套管式地埋管換熱器不同流速下的換熱量結(jié)果如表6 中所示，單位井深換熱量如表7 中所示，表5 為相應流速時土壤溫度場的變化情況。

表5 實驗工況下套管式埋管土壤測點溫差

表6 實驗工況下三種形式埋管不同流速的換熱量

表7 實驗工況下三種形式地埋管不同流速時換熱器單位井深換熱量

3 結(jié)論

(1)三種形式的埋管換熱器換熱效果都是以套管埋管換熱能力最強，雙U 埋管、單U 埋管次之。同時發(fā)現(xiàn)實驗時，三種地埋管換熱器在不同流速時的換熱能力變化趨勢與模擬時相似，對土壤溫度場的影響也是一致的。

(2)從實驗工況結(jié)果表7 中可以看出同等流速下套管換熱器單位井深換熱量是雙U 埋管換熱器的1．12 倍，是單U 埋管的1．2 倍。與前面模擬工況結(jié)果表2 比較發(fā)現(xiàn)，實驗測試的數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果總體上是一致的。

(3)實驗中通過對土壤溫度增幅的比較發(fā)現(xiàn)，隨著換熱時間的延長，土壤溫度升高的幅度不大，且有所減小，說明土壤溫度場自身的恢復性可以減小地埋管換熱器在運行中對土壤溫度場的影響。

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