地下水滲流對(duì)埋管換熱器換熱影響的研究進(jìn)展

宮克勤，劉雨艷

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318）

地下水滲流對(duì)埋管換熱器換熱影響的研究進(jìn)展

宮克勤，劉雨艷

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶163318）

以太陽(yáng)能、地?zé)崮転榇淼目稍偕茉床糠执驽仩t已成為不可阻擋的發(fā)展趨勢(shì)。介紹了土壤源熱泵豎直埋管換熱器的幾種傳熱模型的適用狀況，同時(shí)對(duì)于地下水如何影響地埋管換熱器換熱進(jìn)行了分析，最后提出了可進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

地下水滲流;地埋管換熱器;傳熱模型

人類對(duì)化石能源枯竭、生態(tài)環(huán)境惡化和資源安全利用的擔(dān)憂導(dǎo)致對(duì)清潔、可再生能源的迫切需求下，土壤源熱泵系統(tǒng)以其高效、節(jié)能、環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展性在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的關(guān)注與應(yīng)用[1]。土壤是一種集固態(tài)、液態(tài)以及氣態(tài)三相于一體的含濕多孔介質(zhì)體系[2]，據(jù)此可知，土壤中的熱量傳遞不單單局限于導(dǎo)熱方式上，還有相變換熱以及水分遷移等復(fù)雜的傳熱方式，這都會(huì)對(duì)地下?lián)Q熱器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的困難，為了埋地管換熱器達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)適用性，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者就地下水滲流對(duì)地埋管換熱器換熱影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，本文對(duì)研究成果及現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，為后續(xù)深入研究提供借鑒與參考。

1 地埋管換熱器傳熱模型

1.1 熱濕傳遞線熱源模型

由于地下環(huán)境復(fù)雜，土壤中的水分存在遷移、凍結(jié)及隨大氣溫度、太陽(yáng)輻射等規(guī)律波動(dòng)影響，不考慮這些實(shí)際問(wèn)題的純導(dǎo)熱模型會(huì)使設(shè)計(jì)的盤(pán)管長(zhǎng)度比實(shí)際需要得長(zhǎng)，造成浪費(fèi)。根據(jù)開(kāi)爾文線熱原理論及質(zhì)量與能量守恒定律，可構(gòu)造出飽和土壤與飽和土壤中垂直埋管換熱器的一維線源熱濕傳遞模型[3,4]，這種模型可說(shuō)明土壤傳熱受到其含水率以及熱物性等因素的影響，使線性源模型具備更高的計(jì)算精度。

1.2 變熱流線熱源模型

地下埋管換熱器從土壤中取、放熱是隨建筑物負(fù)荷變化而動(dòng)態(tài)改變的，常熱流是對(duì)建筑物熱負(fù)荷不變的一種假設(shè)，為更好的研究這種變化用變熱流代替原本的常熱流，但這種改變不好實(shí)現(xiàn)。為此我們引進(jìn)與實(shí)際負(fù)荷比較接近的變熱流是隨時(shí)間變化的“階躍”熱流，并將其應(yīng)用到實(shí)際的工程中。階躍熱流是將隨時(shí)間變化的建筑物負(fù)荷看作許多線性分段式熱流疊加后的熱作用總和。此線熱源的解通過(guò)加入躍階負(fù)荷和疊加原理，可以得到不同時(shí)刻不同的階躍熱流在土壤中的溫度響應(yīng)[5]。

考慮地下水滲流的地埋管傳熱模型能更精確地描述地埋管換熱的實(shí)際工況，但計(jì)算繁瑣耗時(shí)，為提高計(jì)算速度提出了g-函數(shù)解析解[6]，該解析解在保證計(jì)算精度的同時(shí)，顯著的提高了計(jì)算速度。這樣運(yùn)用疊加原理分析在階躍熱流作用下，研究了地下水滲流對(duì)地埋管換熱工況的影響，并得到地下水可以改善換熱工況這一結(jié)論。

1.3 鉆孔內(nèi)外耦合傳熱模型

地下水滲流及其周圍土壤物性對(duì)地埋管換熱器內(nèi)流體的影響，直接關(guān)系到地源熱泵機(jī)組的效率。因此，在保持入口參數(shù)不變的條件下，監(jiān)測(cè)其出口溫度并進(jìn)行分析，將可為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)同一種參數(shù)的埋管入口流體條件下各個(gè)土壤埋管里出口流體的溫度展開(kāi)分析會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

在模擬過(guò)程中，需建立埋管內(nèi)外耦合傳熱模型來(lái)加以分析，由于鉆孔內(nèi)的流體和回填材料的熱容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于周圍土壤的熱容，則可把鉆孔內(nèi)埋管中流體的傳熱方式看作是穩(wěn)態(tài)的。鉆孔外的移動(dòng)線熱源是以格林函數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆孔三維傳熱模型，考慮埋管軸向?qū)岷蜐B流的影響的條件下，以鉆孔壁溫度為耦合點(diǎn)，建立地埋管鉆孔內(nèi)外非穩(wěn)態(tài)耦合傳熱的解析模型[7]，為地埋管換熱器的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期運(yùn)行性能分析提供分析方法。

1.4 土壤分層式線熱源模型

由于地埋管換熱器在豎直方向溫度變化不明顯可忽略，則應(yīng)考慮其橫向作用。而地下土壤的組成為各種土質(zhì)的土壤層，不同土質(zhì)土壤層的熱物性以及傳熱性能各不相同[8]。不飽和的淺層土壤只有熱濕傳遞這個(gè)影響因素，而飽和區(qū)域土壤有著明顯的地下水，只需考慮對(duì)流傳熱的影響[9]。

土壤分層式線熱源模型[10]全面分析了土壤沿深度方向的分層情況以及土壤的熱物性沿深度方向變化等影響因素[8]。在分析過(guò)程中，假設(shè)地層沿豎直方向分層，且層內(nèi)巖土均勻；在含地下水的地層中，滲流速度穩(wěn)定且只考慮對(duì)流換熱的影響。

2 地下水滲流對(duì)地埋管換熱器的影響

2.1 含濕量對(duì)土壤熱濕遷移的影響

非飽和區(qū)土壤里的傳熱過(guò)程屬于一種復(fù)雜的熱力過(guò)程，它的建立基于溫度梯度和濕度梯度相互協(xié)作熱量傳遞和水分遷移的基礎(chǔ)上[11]。據(jù)相關(guān)研究可知，依靠熱作用，土壤里的水分會(huì)從高溫區(qū)遷移到低溫區(qū)，導(dǎo)致土壤濕度場(chǎng)發(fā)生不同程度上的變化，而這個(gè)變化程度與換熱器溫度和土壤熱物性是分不開(kāi)的[12]。

當(dāng)熱量集中涌向鉆孔壁時(shí)，濕份開(kāi)始逐漸遠(yuǎn)離鉆孔壁向外遷移，相應(yīng)的鉆孔周圍土壤的含濕量降低，濕度梯度將逐漸變小[13]?；诙崃鞯淖饔?，濕份遷移主要積聚在鉆孔壁周圍，距離鉆孔壁越近的土壤其含濕量降低的越大。初始含濕量不同時(shí)，濕度降低的幅度不同。含濕量越小，鉆孔壁濕度變化幅度越顯著的[14]。從地埋管換熱器的角度出發(fā)，發(fā)生于土壤里的換熱現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于埋管流體與鉆孔壁之間的溫差，因此，換熱效率在很大程度上取決于鉆孔壁溫度的變化。

土壤向周圍排熱時(shí)存在一個(gè)初始含濕量的臨界值，當(dāng)含濕量大于臨界值時(shí)，將沒(méi)有明顯的濕份遷移，因此土壤熱物性幾乎不會(huì)受到濕份遷移的干擾，為了簡(jiǎn)化，可將土壤的比熱容系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)視為常數(shù)；若含濕量小于臨界值，在不斷排熱的條件下，濕份遷移會(huì)嚴(yán)重影響著鉆孔壁周邊土壤的熱物性，此時(shí)應(yīng)用熱濕遷移模型進(jìn)行計(jì)算，否則會(huì)有很大的誤差[15]。

2.2 滲流速度對(duì)地下溫度場(chǎng)的影響

處于地下水位線以下的埋管區(qū)域，周邊土壤皆為飽和狀態(tài)，這將導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)降低，從而對(duì)流換熱占主導(dǎo)地位使土壤的傳熱能力大大增強(qiáng)[16]。在不考慮垂直影響時(shí)，地下水橫流成為影響土壤傳熱的主要因素，土壤熱濕遷移作用變?nèi)?，因此模擬時(shí)不予以考慮。不同滲流速度下，地埋管雖然處于不同的土壤里，但是與周圍土壤換熱規(guī)律相同，滲流速度愈大，則呈現(xiàn)出愈大的換熱量，熱流量也隨土壤的導(dǎo)熱系數(shù)增加而遞增，滲流的存在對(duì)土壤的換熱效果起了增強(qiáng)作用[11,16,17]。

相比較于無(wú)滲流工況，存在滲流工況下的土壤熱容量大，對(duì)單位體積土壤所能提供的熱量也越大，從而會(huì)使土壤中的溫升變化慢，大大增加了土壤與換熱量[16-19]。在地下水滲流作用下，埋管群周圍的溫度場(chǎng)不再呈現(xiàn)出原來(lái)的圓形作用區(qū)域，而是轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形區(qū)域。滲流速度不斷增加會(huì)使溫度場(chǎng)在滲流方向上呈現(xiàn)出越來(lái)越明顯的拉伸，并且在垂直滲流方向上表現(xiàn)出明顯的切削。即滲流速度越大埋管在沿滲流和垂直于滲流方向上分別呈現(xiàn)出更大和更小的熱作用半徑[19-21]。

2.3 滲流方向?qū)Φ叵聹囟葓?chǎng)的影響

滲流情況下，U型管內(nèi)流體入口與出口溫差及埋管換熱量均大于無(wú)滲流情況，可見(jiàn)滲流有利于換熱器運(yùn)行[22]。水層中的滲流速度足夠大，就可以帶走管壁周圍的熱量、冷量的堆積從而緩解土壤熱不平衡的問(wèn)題，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率[23,24]。

為解決滲流方向問(wèn)題，通過(guò)模擬及實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，地下水滲流阻礙了上游管群溫度的升高，并使溫度向下游管群集中，使下游溫度升高加速。因此在布置地埋管時(shí)應(yīng)考慮到地下水滲流方向的影響，在滲流的方向上，為避免溫度集中匯聚產(chǎn)生熱堆積，合理增加管間距；在垂直于滲流的方向上，考慮到滲流引起的切削，應(yīng)該使管間距適度減小，并使鉆孔與滲流方向呈一定的夾角，有效地利用地下水滲流將多余的熱量、冷量帶走，提高機(jī)組的運(yùn)行效率[25]。這樣就有了順排與叉排的埋管方式，順排管群0°為其最劣滲流方向角，其最優(yōu)滲流方向角應(yīng)該30°左右；對(duì)于叉排管群，90°為其最劣滲流方向角，其最優(yōu)滲流方向角應(yīng)該在15°左右，但是并不固定，隨滲流速度的變化而略有改變[26]。

3 結(jié)論

土壤是種復(fù)雜的含濕多孔介質(zhì)，它作為熱源提供熱量時(shí)我們要考慮地下水的問(wèn)題，通過(guò)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)及地下水流速度計(jì)算得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并結(jié)合施工地點(diǎn)具體的土壤特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，若忽略這項(xiàng)影響因素，會(huì)造成設(shè)計(jì)尺寸過(guò)長(zhǎng)。通過(guò)研究經(jīng)驗(yàn)可知，土壤的能量不是取之不盡用之不竭的，當(dāng)長(zhǎng)期向土壤取熱（放熱）會(huì)使土壤熱平衡出現(xiàn)問(wèn)題，并且已有研究者對(duì)跨季節(jié)蓄熱（蓄冷）進(jìn)行了研究，但很少學(xué)者將地下水與跨季節(jié)蓄熱（蓄冷）相結(jié)合進(jìn)行研究，而地下水對(duì)蓄熱（蓄冷）影響很大，應(yīng)進(jìn)一步研究，為實(shí)際工程提供可靠的依據(jù)。

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Research Progress of the Effect of Groundwater Seepage on Underground Buried Tubular Heat Exchanger

GONG Ke-qin，LIU Yu-yan
（Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163318,China）

Renewable energy such as solar energy and geothermal energy has become trend to replace the most boilers due to its increasingly prominent impacts.In this paper,application situation of several heat transfer models of vertical ground heat exchanger for ground source heat pumps was introduced,and effect of the groundwater on the ground heat exchanger was analyzed.Meanwhile,suggestions for further research were proposed.

Groundwater seepage;Underground buried tubular heat exchanger;Heat exchanger model

TQ 052

A

1671-0460（2017）03-0536-03

2016-09-29

宮克勤（1967-），男，黑龍江七臺(tái)河人，教授，博士，2007年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。E-mail：gkqdqpi@126.com。

劉雨艷（1991-），女，碩士，研究方向：地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化。E-mail：liuyuyan0301@163.com。