地埋管換熱性能的研究現狀

郭海豐，韓 悅 ，張萱芮

（沈陽建筑大學 市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168）

化石燃料仍然是目前人類消耗的主要能源，隨著世界人口的增長和發(fā)展中國家人均生活水平的提高，對能源的需求也在快速增長。在我國的能源消耗總量中，建筑能耗約占45.5%，而采暖、通風和空調能耗約占建筑運行能耗的2/3。氣候變化和全球變暖作為人類社會主要威脅，根本上可以與能源消耗和溫室氣體排放聯系在一起[1]，從2000～2011年，住宅能源消耗增長了14%，大部分增長都發(fā)生在發(fā)展中國家。為了應對能源危機和保護環(huán)境，我國作為最大的發(fā)展中國家，將開發(fā)和利用可再生能源作為重要戰(zhàn)略，引入了許多被動技術。被動技術除需要很少的傳統(tǒng)能源用于運行風扇進行空氣循環(huán)外，均使用可再生能源。而我國大部分地區(qū)地熱能等可再生能源資源比較豐富，因此地熱能已經成為通過被動方式對建筑物進行供暖和制冷的最有吸引力的來源之一[2]，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，目前來看對地埋管的研究具有很大的發(fā)展前景。因此，為了更好地利用地熱能，加強對地埋管的利用，需要充分了解影響地埋管性能的因素。

1 地表條件的影響

Bansal等[3]研究了在黑化和上釉的表面下進行冬季加熱和在陰涼及濕潤的表面下進行夏季冷卻兩種情況下的地埋管的性能。Mihalakakou等[4]比較了埋在裸土和短草覆蓋的土壤下的地埋管的冷卻能力，并且得到結論：草覆土降低了年溫變化，裸土表面增加了系統(tǒng)的供熱能力。

2 管道參數的影響

管道長度的影響：Sodha等[5]發(fā)現地埋管的出口氣溫一般在夏季隨管道長度減少，冬季隨管道長度增加，但變化率可能隨位置而變化。Kabashnikov等[6]的研究表明，地埋管的熱效率隨著管道長度的增加而增加，并在一定長度處接近飽和，該飽和長度取決于溫度振蕩的頻率。

管道半徑的影響：Badescu[7]通過對被動房（PH）空間加熱的試驗研究，開發(fā)了地面換熱器模型，試證了半徑越大的地埋管，加熱和冷卻的潛力越大。

管道材料的影響：Argiriou等[8]分析了使用由不同材料制成的地埋管的地道風系統(tǒng)的熱性能，例如塑料，鋁，混凝土和毛坯。Serageldin等[9]對三種不同的管材：PVC，鋼和銅進行試驗模擬，得到PVC管的出口空氣溫度為19.7℃，鋼的出口空氣溫度為19.8℃，銅的出口空氣溫度為19.8℃。因此得出結論：從經濟性考慮，與管道材料的成本相比，各種管材的出口氣溫變化可以忽略。

管道埋深的影響：Lee等[10]在EnergyPlus中開發(fā)了一個新模塊，用于模擬地埋管。使用該新模塊，進行參數分析以研究管道深度對冷卻季節(jié)期間各種條件下地埋管性能的影響。管道埋藏深度對管的整體冷卻速度有影響，而管道半徑和空氣流量主要影響地埋管入口溫度。最終得到，隨著深度的增加，管內流動空氣的溫度會降低，因此地埋管應該埋在足夠深度的地方。Wu等[11]測試了不同深度埋地管的熱性能，發(fā)現地埋管出口空氣溫度在27.2℃和31.7℃之間變化，當埋深分別在1.6m和3.2m時，出口空氣溫度分別為25.7℃和30.7℃。

管道空氣流速的影響：Sodha等[12]將標準大小的房間（4 m×3 m×3 m）與理想的地道風系統(tǒng)相連接，分析了加熱度和冷卻度的中間值，分析了三種不同氣候對地表不同處理方式的影響，最終得到，在增加管道空氣的流速時，達到房間特定冷卻負荷所需的隧道長度減少。Kabashnikov等[6]建立了一個數學模型，用于計算通風系統(tǒng)土壤熱交換器中土壤和空氣的溫度，該模型基于傅里葉積分形式的溫度表示。計算得到熱交換器效率隨著地埋管中空氣流速的減小而降低。

3 相鄰地埋管熱干擾的影響

當地道風系統(tǒng)由單個埋管組成，不足以提供建筑物所需足夠的加熱量或冷卻量時，開始設計并研究了具有多個地埋管的多管道地道風系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的管道可能會影響彼此的性能，因此必須合理放置。Bojic等[13]對地埋管進行數值模擬，發(fā)現當管道數量增加了4倍時，能源利用率平均增加2.6倍。夏季的所有能源利用率的值都比冬天高3.2倍。在管道長度為5m的短管中，氣溫幾乎保持不變。在帶有4根管道且管道長度為50m的地道風系統(tǒng)中，空氣從管道中排出的溫度幾乎等于土壤溫度。如果管道長度L小于17 m時，選擇4個管道而不是兩個管道，此時夏季地埋管取熱更具有經濟性。Kabashnikov等[6]研究了地埋管間距對系統(tǒng)效率的影響。發(fā)現每個管的每日平均熱功率的峰值下降程度與管道間距的變化有關，而與管道直徑無關。地埋管之間的間距減小到1.5m導致的功率損失為5%～ 15%，間距減小到1m的功率損失為10%～ 25%。Yoon等[14]通過試驗和數值模擬檢驗了管道間隔對各種條件下管道傳熱的影響，將年交換熱率定義為相鄰管之間熱干擾導致傳熱減少的指標。對于地埋管數量為2、4、6和8時，可以得到，隨著布置間隔的減小，年熱交換率變小，并且隨著管數的增加，該負梯度也逐漸變大。

4 其他參數的影響

Singh[15]引入了兩個新參數，即扇形因子和隧道尺寸因子，扇形因子基本為排氣扇和橫截面積的函數，隧道尺寸因子是隧道表面面積的函數，二者在隧道的橫截面積上統(tǒng)一化，顯著影響地道風系統(tǒng)中的地埋管性能，通過二者也有利于確定系統(tǒng)的尺寸。風扇系數將用于確定最佳隧道系統(tǒng)的風扇尺寸，而用隧道尺寸參數確定隧道尺寸，以便在房間內獲得更好的熱舒適性條件。Ahmed等[16]還研究了出口高度對出口溫度的影響。使用FLUENT 15.0軟件為水平地埋管冷卻系統(tǒng)開發(fā)了一個熱模型，通過模擬結果得到了出口高度會對系統(tǒng)的性能產生負面影響，將出口部分的高度增加到0.1m以上時，獲得的熱能很快就會消失，出口溫度接近入口溫度。因此可以使出口部分絕緣或使出口部分的高度保持在0.1m以下，從而使負有效性最小化，得到更好的冷卻效果。

5 結語

本文主要總結了國外對這些參數影響地埋管性能的試驗與模擬研究。從所分析的文獻中地埋管系統(tǒng)的熱量和經濟觀點來看，地埋管的性能很大程度上取決于地表條件，并且可以通過適當修改埋藏在地埋管道上方的地表來顯著改善，其加熱性能可以通過在寒冷氣候下對地表進行黑化和上釉來增強，而遮蔽和潤濕表面可以適合于改善冷卻性能，特別是在炎熱干燥的氣候中。埋管的長度被視為最為顯著的影響參數，在長度為20～30m的埋地管道中可以實現空氣溫度的最大下降以及實現系統(tǒng)熱性能的顯著改善，增加管道長度基本上可以大到產生舒適的室內空氣溫度。當地埋管不足以提供建筑物所需足夠的加熱量或冷卻量時，多管道地道風系統(tǒng)出現，地埋管間距可以降低土壤熱勢，并且降低熱勢的能力隨著間距的增加而增大，但較大的間隙需要更大的土地面積，使系統(tǒng)的成本增加。管道的材料不會影響地埋管的性能，因此從經濟性的角度建議使用更便宜的管道。地埋管出口部分的高度在整體性能中起主要作用，并且出口溫度下降的速度隨著出口部分高度的增加而迅速增加，因此該部分必須保持最小和絕緣。

系統(tǒng)的連續(xù)運行可以改變加熱和冷卻土壤的潛力，因此土壤的熱回收可以在期望的時間內保持系統(tǒng)的有效性能。管道之間的間距可以起土壤恢復方面的重要作用，夜間空氣較低也可以用來恢復土壤熱容量，但需要消耗能量來運行鼓風機。因此，需要經濟分析來確定夜間鼓風機運行的吹掃時間。但是目前有關土壤熱恢復行為的研究有限，對推廣土壤熱恢復機制造成阻礙。更長的地埋管可以增加空氣停留時間以達到更好地傳熱，因此，可以使用蛇形布置。但是這種布置會增加壓降，需要更高的能量以保持系統(tǒng)功能和保持系統(tǒng)熱性能。關于這方面的文獻也十分有限，阻礙了討論不同管道布置對地埋管的性能影響。因此建議詳細研究這些方面，進一步推進我國地埋管技術的發(fā)展。