套管式地埋管換熱器傳熱特性數(shù)值模擬

吳 晅，梁思源，鄭明杰，侯正芳，路子業(yè)

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.賽楊建筑東京事務(wù)所，日本 東京；3.清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084）

地源熱泵技術(shù)是一種利用地埋管換熱器中的流體與地表淺層土壤進(jìn)行間接換熱的節(jié)能技術(shù)。其中套管式地埋管換熱器因具有占地面積小、熱阻低、相同流速的優(yōu)勢(shì)，且套管內(nèi)流體的湍流狀態(tài)更為劇烈、管外壁與巖土的換熱面積更大，單位井深換熱量增加以及換熱效率較U型地埋管提高16.7%［1-3］等優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。為此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者為增強(qiáng)套管式地埋管換熱器換熱性能進(jìn)行了深度研究，Zarrealla等［4］發(fā)現(xiàn)套管式換熱器相對(duì)于更廣泛使用的單U型地埋管設(shè)計(jì)具有降低鉆孔熱阻的潛力。Mokhtari等［5］利用熱力學(xué)定律和成本觀點(diǎn)，用套管式換熱器獲得了地?zé)崽m金循環(huán)的最佳參數(shù)，它們從減小熱交換器內(nèi)的壓降和增加循環(huán)熱效率來(lái)優(yōu)化直徑比。Huang等［6］基于線熱源模型和質(zhì)量守恒定律建立了一維傳熱模型，并分析了土壤中水分遷移對(duì)換熱器性能的影響。Dehghan等［7］在柱熱源模型上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了使用格林公式的一維解析解模型，并基于該模型分析了地源熱泵系統(tǒng)的長(zhǎng)期傳熱性能。Soleiman等［8］基于ANSYS模擬了同軸換熱器的流體流動(dòng)和傳熱特性，并研究了不同直徑換熱器的性能。S＇liwa T等［9］研究發(fā)現(xiàn)使用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料制成的套管內(nèi)柱能夠很大限度地利用基于鉆孔熱交換器的地?zé)嵯到y(tǒng)熱量。Kahalerras H等［10］通過(guò)數(shù)值模擬得出在套管換熱器環(huán)形空間插入具有較高滲透性和導(dǎo)熱率的多孔翅片可有效強(qiáng)化傳熱。Li C等［11］對(duì)套管式地埋管內(nèi)管建立了全尺寸三維數(shù)值模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示內(nèi)管類型的換熱能力遠(yuǎn)小于循環(huán)水流量和土壤初始地溫。Li B Y等［12］結(jié)合土壤熱特性，使用地面耦合熱泵（GCHP）技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)套管和雙U型地埋管的運(yùn)行方式、埋管深度對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)能的影響更大。Kwanggeun Oh等［13］現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得管徑、管道和灌漿材料的導(dǎo)熱系數(shù)直接影響同軸套管式地埋管換熱器的熱性能。方亮等［14］建立傳熱模型分析得淺層套管內(nèi)管壁采用低導(dǎo)熱系數(shù)材料，可提高換熱性能，減少“熱短路”現(xiàn)象。李永強(qiáng)等［15］數(shù)值模擬分析了套管內(nèi)管壁導(dǎo)熱系數(shù)和管內(nèi)循環(huán)水流量對(duì)換熱器換熱功率和熱短路的影響。鮑玲玲等［16］采用交替方向隱式法和追趕法對(duì)模型求解，分析了多種因素對(duì)中深層同軸套管式地埋管換熱器換熱功率及出口水溫的影響規(guī)律。王德敬等［17］數(shù)值模擬分析了流動(dòng)方向、流速、巖土熱物性、內(nèi)外管管壁熱阻等因素對(duì)中深層套管式換熱器換熱性能的影響。胡映寧等［18］運(yùn)用埋管深度為60 m的鍍鋅套管實(shí)驗(yàn)研究套管管徑、管材對(duì)土壤溫度、換熱性能的影響。江彥等［19］用管內(nèi)流動(dòng)與土壤導(dǎo)熱相耦合的傳熱模型模擬分析運(yùn)行模式、管徑組合和流體流速對(duì)流體出口溫度及單位埋管換熱量的影響。

以上建立的套管式地埋管換熱器模型多為傳統(tǒng)的一維與二維的線熱源或柱熱源模型，研究地埋管徑向方向上的熱量傳遞，對(duì)豎直套管式地埋管換熱器在能效系數(shù)、熱短路現(xiàn)象和地埋管進(jìn)出口方式等方面研究較少。因此，本研究通過(guò)自行搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，利用所建立的豎直套管式地埋管換熱器三維數(shù)理模型探究地埋管軸向方向的熱量傳遞特性，數(shù)值模擬研究了回填材料、進(jìn)出口方式以及內(nèi)外管管徑等因素對(duì)地埋管換熱器流體出口溫度、單位井深換熱量、熱短路現(xiàn)象和能效系數(shù)的影響。

1 套管式地埋管換熱器模型

1.1 物理模型

圖1為套管式地埋管幾何模型，流體從環(huán)形空間流入，內(nèi)管流出。

套管式地埋管換熱器內(nèi)外管徑管長(zhǎng)、環(huán)腔空間及循環(huán)流體、回填材料和巖土區(qū)域之間換熱的模型由建模軟件Comsol建立，表1為參照內(nèi)蒙古中部地區(qū)地源熱泵運(yùn)行條件確定的計(jì)算參數(shù)。

由于地埋管換熱器與土壤傳熱的復(fù)雜性，為便于地埋管換熱模擬分析，作如下假設(shè)：

1）內(nèi)外管同軸；

2）埋管與土壤之間認(rèn)為只有傳熱，不考慮由于地下水分遷移而引起的熱量傳遞；

3）忽略換熱表面因沉積物導(dǎo)致的污垢熱阻和土壤與地埋管外管緊密接觸導(dǎo)致的接觸熱阻；

4）地埋管為均質(zhì)各向同性的材料，且熱物性參數(shù)不隨溫度的變化而改變；

5）忽略地埋管縱向傳熱，認(rèn)為熱量在土壤中的傳遞僅沿半徑方向。

表1 計(jì)算參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

本研究建立豎直套管式地埋管三維數(shù)學(xué)模型，采用流動(dòng)方式為外進(jìn)內(nèi)出，如圖2所示。

1）外管能量守恒方程，套管環(huán)腔流體溫度計(jì)算表達(dá)式為：

式中：T1為環(huán)腔內(nèi)流體溫度（℃）；Aw為環(huán)腔橫截面積（m2）；ρf為流體的密度（kg／m3）；Cf為流體的比熱容（J·kg-1·℃-1）：τ為時(shí)間（s）；u為流體流速（m／s）；λf為流體導(dǎo)熱系數(shù)（W·m-1K-1）；r2為內(nèi)管外徑（m）；h2為內(nèi)管外壁對(duì)流換熱系數(shù)（W／（m2·K））；Tpi為內(nèi)管溫度（℃）；Tg為回填材料溫度（℃）；Rrz為單位長(zhǎng)度熱阻（（m·K）／W）。

式中：h3為外管壁對(duì)流換熱系數(shù)（W／（m2·K））；r3為外管內(nèi)徑（m）；r4為外管外徑（m）；λw為外管導(dǎo)熱系數(shù)（W／（m·K））。

2）內(nèi)管能量守恒方程，內(nèi)管流體溫度計(jì)算表達(dá)式為：

式中：T2為內(nèi)管中流體溫度（℃）；An為內(nèi)管橫截面積（m2）；r1為內(nèi)管內(nèi)徑（m）；h1為內(nèi)管內(nèi)壁對(duì)流換熱系數(shù)（W／（m2·K））。

3）固體區(qū)域?qū)岱匠虨椋?/p>

式中：ρ為密度（kg／m3）；C為比熱容（J·kg-1·℃-1）；λ為導(dǎo)熱系數(shù)（W／（m·K））；T為溫度（K）；其中下標(biāo) θ可替換為s（土壤）、g（回填材料）、pi（內(nèi)管）。

4）初始條件及邊界條件：

環(huán)境因素、地理位置等對(duì)土壤的初始溫度有一定的影響，進(jìn)而影響套管式地埋管換熱器的傳熱性能，土壤表面下20～30 m處為土壤的恒溫地帶，一般高于年平均氣溫的1～3℃［20］。參考相關(guān)規(guī)范［21］，查找北方地區(qū)溫度變化，設(shè)定土壤初始溫度t0＝12℃。

套管式換熱器周圍土壤進(jìn)行熱量傳遞時(shí)，土壤溫度受到影響范圍有限，所以將遠(yuǎn)處土壤設(shè)定為溫度恒定邊界。回填材料與環(huán)形空間內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)之間的邊界條件為：

內(nèi)管內(nèi)壁對(duì)流換熱邊界條件為

內(nèi)管外壁對(duì)流換熱邊界條件為

回填材料與土壤之間接觸傳熱邊界條件為：

管壁與流體的邊界條件為：

Nu使用Gnielinski公式計(jì)算［22］：

式中：Prf為以水溫計(jì)算的普朗特?cái)?shù)；Prw為以壁面溫度計(jì)算的普朗特?cái)?shù)；d為管道的當(dāng)量直徑（m），內(nèi)管的d＝2r1，外管的d＝2（r3-r2）；H為套管的長(zhǎng)度（m）；Re為雷諾數(shù)；v為循環(huán)介質(zhì)的動(dòng)力黏度（Pa·s）；k為管內(nèi)湍流流動(dòng)的阻力系數(shù)k＝（1.821gRe-1.64）-2。

5）熱短路值

在套管地埋管中，內(nèi)管中的流體與環(huán)腔空間中的流體之間存在溫差，從而引起熱短路現(xiàn)象。為定量表征熱短路現(xiàn)象強(qiáng)弱，本研究設(shè)定熱短路值，即

式中：Δt′為熱短路值（℃）；tf為套管地埋管底部水溫（℃）；t″f為套管出水溫度（℃）。

6）能效系數(shù)

能效系數(shù)用來(lái)表征套管式地埋管換熱器的有效換熱性能［15］，能效系數(shù)越大，地埋管換熱器的綜合換熱性能越好。

式中：φ為能效系數(shù)（%）；E為地埋管實(shí)際換熱量（W）；E′為地埋管最大理想換熱量（W）；tf為套管地埋管底部水溫（℃）；t′f為套管地埋管進(jìn)水溫度（℃）；tfmax為套管內(nèi)流體最高溫度（℃）；tfmin為套管內(nèi)流體最低溫度（℃）。

2 實(shí)驗(yàn)研究與模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立數(shù)理模型準(zhǔn)確性，基于相似原理搭建室內(nèi)套管式地埋管換熱器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由能量供給系統(tǒng)、豎直套管式地埋管和儲(chǔ)熱裝置組成。

1）能量供給系統(tǒng)：豎直套管式地埋管換熱器中的循環(huán)工質(zhì)選取水（黏性較小，對(duì)恒溫水浴沒(méi)有腐蝕性），通過(guò)恒溫水浴中自帶的循環(huán)水泵為循環(huán)工質(zhì)提供動(dòng)力。實(shí)驗(yàn)選用密閉式恒溫水浴為套管式地埋管換熱器提供冷源和熱源來(lái)模擬實(shí)際地源熱泵中蓄取熱過(guò)程。裝置的工作環(huán)境溫度為5～35℃，濕度在40%～80%范圍內(nèi)，工作電壓為380 V，可提供-60～200℃的溫度范圍，符合此次實(shí)驗(yàn)的要求。

2）豎直套管式地埋管：圖3為豎直套管式地埋管尺寸圖，本實(shí)驗(yàn)中使用導(dǎo)熱系數(shù)大，傳熱效果好的紫銅管做豎直套管式地埋管材料。

3）儲(chǔ)熱裝置：由砂箱和粒徑大小為0.06～0.1 mm的黏土組成。豎直套管式地埋管放置在鉆孔中心。砂箱采用1.3 m×1.3 m×1.5 m長(zhǎng)方體不銹鋼容器制成，壁厚3 mm。為避免散熱過(guò)多，增大實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)砂箱周圍用保溫材料進(jìn)行包裹，保溫材料的導(dǎo)溫系數(shù)大致為0.035 W／（m·℃）。儲(chǔ)熱裝置中心部分有一個(gè)從上到下直徑為150 mm的鉆孔，鉆孔深度為1.4 m，用不銹鋼鐵絲網(wǎng)將鉆孔周圍纏繞。

圖4為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖，工作原理：恒溫水浴處設(shè)定地埋管換熱器的進(jìn)口溫度，循環(huán)水通過(guò)保溫的硅膠管流經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)后流入環(huán)形空間，與土壤換熱后從內(nèi)管的頂端流出回到恒溫水浴。溫度采集儀器將K型熱電偶測(cè)量的溫度值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過(guò)Aglient-34970A軟件讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)最終數(shù)據(jù)分析土壤溫度。

圖5為熱電偶布置圖，距離儲(chǔ)熱砂箱頂部每隔350 mm處設(shè)置一層熱電偶，共3層，每層9個(gè)K型熱電偶，通過(guò)對(duì)軸、徑向上的熱電偶布置測(cè)量周圍土壤溫度的變化。表2為溫度測(cè)點(diǎn)分布表，由數(shù)據(jù)采集儀采集熱電偶測(cè)得的各測(cè)點(diǎn)溫度，計(jì)入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)。

表2 溫度測(cè)點(diǎn)分布

實(shí)驗(yàn)以地埋管蓄熱工況設(shè)定進(jìn)口溫度為41℃，對(duì)比埋管周圍不同距離處的熱電偶溫度得出：距離地埋管較遠(yuǎn)處的土壤溫差小，R＝80 mm處熱電偶測(cè)得的土壤溫度波動(dòng)最大，產(chǎn)生誤差可能性最大，具有代表性，故選用熱電偶溫控點(diǎn)S1、Z1、X1作對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)之前必須對(duì)周圍土壤溫度進(jìn)行檢測(cè)來(lái)確保實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在測(cè)量土壤溫度之后，K型熱電偶使用溫度探頭信號(hào)將測(cè)量的土壤溫度傳輸?shù)接?jì)算機(jī)以進(jìn)行存儲(chǔ)。選取6組數(shù)據(jù)（5、10、15、20、25、30℃）進(jìn)行對(duì)比，使用水銀溫度計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)作為校準(zhǔn)結(jié)果。

圖6為Agilent-34970a型號(hào)的溫度采集儀的采集溫度，水銀溫度計(jì)測(cè)得溫度值與通過(guò)K型熱電偶測(cè)得的溫度值變化趨勢(shì)一致，最大誤差小于0.06%。溫度采集儀的精度符合要求。

圖7為套管換熱器連續(xù)蓄熱運(yùn)行72 h，在距離埋管80 mm處的上、中、下3層處的土壤溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值得對(duì)比及誤差分析。從圖5（a）、（b）和（c）可見(jiàn)：此徑向距離下的土壤溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間較短，穩(wěn)定后的溫度分別為38.2、39.8、40.0℃，與進(jìn)口溫度差在2℃之內(nèi)，土壤溫度波動(dòng)幅度小，能起到良好的蓄熱效果；對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度變化趨勢(shì)一致。運(yùn)行初期誤差較大的原因在于流體以一定的進(jìn)口溫度進(jìn)入環(huán)腔時(shí)，地埋管周圍土壤溫度與管中流體溫度相差較大。環(huán)形空間內(nèi)的流體與地埋管周圍土壤換熱量較大從而會(huì)產(chǎn)生熱量堆積，所以出現(xiàn)短暫的上升階段。實(shí)驗(yàn)中，埋管深度1.5 m處的土壤溫度受外界（如室內(nèi)環(huán)境溫度和恒溫水浴溫度波動(dòng)等）的影響較大，而模擬條件下忽略這些因素，因此模擬值與實(shí)驗(yàn)值存在差異。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定性，使得開(kāi)始階段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高于實(shí)際運(yùn)行值，但去除開(kāi)始階段的誤差，穩(wěn)定后的實(shí)驗(yàn)值與模擬值的相對(duì)誤差控制在10%以內(nèi)，由此可以證明本研究所建套管式地埋管換熱器傳熱模型和計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

在上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，本研究將利用所建立的套管式地埋管換熱器數(shù)理模型，研究蓄熱模式下，回填材料、進(jìn)出口溫度、管徑對(duì)套管式換熱器傳熱性能的影響。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 回填材料對(duì)套管傳熱性能的影響

模擬條件：根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)定進(jìn)口流速0.1 m／s，土壤初始溫度12℃，進(jìn)口水溫20℃，管徑DN200／80 mm（外管內(nèi)管徑為200 mm，內(nèi)管內(nèi)管徑為80 mm）。以內(nèi)蒙古包頭地區(qū)4種典型土壤作為回填材料進(jìn)行研究，有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 回填材料的物性參數(shù)

圖8為4種回填材料下土壤溫度場(chǎng)，套管式地埋管在豎直方向上的溫度場(chǎng)以中軸線呈對(duì)稱分布，通過(guò)對(duì)比回填材料的物性參數(shù)，可以看出：相同運(yùn)行條件下，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)越大，地埋管向周圍土壤傳遞的熱量范圍就越大。

圖9為不同回填材料下單位井深換熱量隨運(yùn)行時(shí)間的變化。單位井深換熱量隨運(yùn)行時(shí)間呈現(xiàn)先下降后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。穩(wěn)定時(shí)，花崗巖的換熱量保持在55 W／m，砂土和黏土保持在50 W／m，而輕土的保持在37 W／m。當(dāng)?shù)芈窆軗Q熱器的各參數(shù)條件相同時(shí)，單位井深換熱量由低到高分布為花崗巖、砂土、黏土、輕土。通過(guò)分析得出：導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)越大，地埋管換熱器與周圍土壤之間傳遞的熱量越多，地埋管中流出流體的溫度就越低，進(jìn)出口溫差越大。

圖10為不同回填材料下流體出口溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化。流體出口溫度隨運(yùn)行時(shí)間均呈現(xiàn)先上升后逐漸趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，運(yùn)行初期，花崗巖、砂土、黏土、輕土出口溫度分別為19.915、19.921、19.920、19.954℃，此時(shí)進(jìn)出口溫差分別為0.095、0.079、0.080、0.046℃；而運(yùn)行60 d后，出口溫度分別為19.952、19.955、19.956、19.970℃，進(jìn)出口溫差分別為0.048、0.045、0.044、0.030℃。這是由于各回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的差異，在流量一定的情況下，導(dǎo)熱系數(shù)越大，土壤可從流體吸收更多的熱量，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的出口水溫就更低。

圖11為不同回填材料下熱短路值隨運(yùn)行時(shí)間的變化?；靥畈牧蠟榛◢弾r、砂土和黏土?xí)r，熱短路值隨運(yùn)行時(shí)間的增加呈現(xiàn)先下降后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律；回填材料為輕土?xí)r，熱短路值隨運(yùn)行時(shí)間的變化幅度較小，熱短路值最低；回填材料為花崗巖時(shí)，熱短路值最高；當(dāng)回填材料為砂土和黏土?xí)r，熱短路值大致相同。黏土和砂土的導(dǎo)熱系數(shù)較為接近，而花崗巖為最大，輕土為最低，這說(shuō)明，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)小時(shí)，可有效降低熱短路現(xiàn)象。

3.2 進(jìn)出口方式對(duì)套管傳熱性能的影響

模擬條件：進(jìn)口流速為0.1 m／s，土壤初始溫度為12℃，進(jìn)口水溫為20℃，管徑為DN200／80 mm（外管內(nèi)管徑為200 mm，內(nèi)管內(nèi)管徑為80 mm）。探討不同進(jìn)出口方式對(duì)單位井深換熱量、流體出口水溫、能效系數(shù)、熱短路值的影響。

循環(huán)水采用外進(jìn)內(nèi)出（外管流進(jìn)，內(nèi)管流出）、內(nèi)進(jìn)外出（內(nèi)管流進(jìn)，外管流出）2種流動(dòng)方式。圖12為2種進(jìn)出口方式下溫度場(chǎng)圖。溫度分布以地埋管為中心呈現(xiàn)出同心圓形狀，相比內(nèi)進(jìn)外出流動(dòng)方式，外進(jìn)內(nèi)出方式下的熱量傳遞范圍更大。

圖13為2種進(jìn)出方式下的換熱器傳熱特性。在運(yùn)行初期0～6 d時(shí)，內(nèi)進(jìn)外出模式下的單位井深換熱量、流體出口溫度和熱短路值變化幅度均較大；趨于穩(wěn)定后，內(nèi)進(jìn)外出和外進(jìn)內(nèi)出所對(duì)應(yīng)的能效系數(shù)分別處于55.0%～57.0%和77.0%～79.0%范圍；在內(nèi)進(jìn)外出的流動(dòng)方式下，20℃初溫的熱水在由內(nèi)管頂部流入內(nèi)管底部的過(guò)程中，熱量通過(guò)內(nèi)管壁傳遞給環(huán)腔中的出水水流，因此該流動(dòng)方式下的熱短路值相對(duì)較高，熱短路現(xiàn)象相對(duì)明顯。其中，以剛開(kāi)始階段的熱短路現(xiàn)象最為突出，這使得該流動(dòng)方式下的出口水溫增加較快，并最終趨于穩(wěn)定。

在外進(jìn)內(nèi)出的流動(dòng)方式下，熱水首先通過(guò)外管與內(nèi)管中間的環(huán)腔空間頂部進(jìn)入，在流到環(huán)腔底部的過(guò)程中分別向內(nèi)管流體和周圍土壤傳熱；由于環(huán)腔內(nèi)熱流體通過(guò)外管壁直接將熱量傳遞給周圍土壤，相較內(nèi)進(jìn)外出流動(dòng)方式下的溫差大，導(dǎo)致能效系數(shù)有一定的波動(dòng)，但該流動(dòng)方式下的換熱性能較好，能效系數(shù)高，熱短路現(xiàn)象相對(duì)較弱，這也使得內(nèi)管出口處的出口水溫變化幅度較小。

綜上，當(dāng)套管式地埋管向土壤蓄熱時(shí)，內(nèi)進(jìn)外出的流動(dòng)方式比外進(jìn)內(nèi)出流動(dòng)方式得到的流體出口水溫更低，進(jìn)出口溫差更大，但外進(jìn)內(nèi)出的流動(dòng)方式下的能效系數(shù)較高，熱短路現(xiàn)象不明顯。

3.3 內(nèi)管管徑對(duì)套管傳熱性能的影響

模擬條件，初始溫度12℃，循環(huán)介質(zhì)為水，進(jìn)口溫度20℃，流速0.1 m／s，探討3種不同管徑組合對(duì)套管傳熱性能的影響，即：90／63（外管內(nèi)徑為90 mm，內(nèi)管內(nèi)徑為63 mm）、90／60（外管內(nèi)徑為90 mm，內(nèi)管內(nèi)徑為60 mm）和90／54（外管內(nèi)徑為90 mm，內(nèi)管內(nèi)徑為54 mm）。

圖14為3種內(nèi)外管徑下溫度場(chǎng)，可見(jiàn)以地埋管中心為圓心，熱量均勻向四周傳遞，90／60 mm與90／63 mm管徑組合傳熱效果相近且明顯優(yōu)于90／54 mm管徑組合。

圖15為3種內(nèi)外管徑下?lián)Q熱器的傳熱特性。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：出口水溫逐漸穩(wěn)定時(shí)，管徑組合為90／63、90／60、90／54的出口溫度分別由起始水溫19.41、19.45、19.64℃上升到19.63、19.66、19.78℃，進(jìn)出口溫差分別為0.37、0.34、0.22℃；其單位井深換熱量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)分別為56、53、34 W／m；熱短路值分別為0.05、0.04、0.12℃，能效系數(shù)分別為91%、87%、63%?？梢?jiàn)，在外管管徑不變的條件下，增大內(nèi)管管徑，縮小環(huán)形空間，對(duì)強(qiáng)化換熱和降低熱短路值有一定效果。但在流速一定的情況下，環(huán)形空間內(nèi)流體流量降低。因此在實(shí)際應(yīng)用中，一般不易單獨(dú)依靠增大內(nèi)管管徑來(lái)增強(qiáng)換熱。

4 結(jié)論

1）分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬的方法研究了套管式換熱器連續(xù)蓄熱運(yùn)行72 h的土壤溫度變化特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬值的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，證明了所建數(shù)理模型的合理性和正確性。

2）回填材料導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率越高，土壤傳遞熱量范圍越大，套管換熱器換熱效果越好。

3）在套管換熱器中，采用外進(jìn)內(nèi)出的流動(dòng)方式，其熱短路現(xiàn)象不明顯，能效系數(shù)較高。

4）在套管換熱器外管管徑不變的條件下，增大內(nèi)管管徑可得到較高的單位井深換熱量和能效系數(shù)，較低的出口水溫和熱短路值。