夏季工況下宿州地區(qū)U型管換熱器換熱效率模擬與分析

張洋，程海峰，張舉，楊葉萌，王庚

（1.安徽建筑大學環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；2.建筑能效控制與評估教育部工程研究中心，安徽 合肥 230601；3.智能建筑與建筑節(jié)能安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；4.安徽建筑大學建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境實驗室，安徽 合肥 230601）

1 概述

本文通過對宿州地區(qū)單U深井式地埋管換熱器建立地埋管換熱器的管內(nèi)外耦合全尺寸三維動態(tài)數(shù)值計算模型，對該地埋管換熱器的換熱性能等進行數(shù)值仿真模擬并與實測結(jié)果進行比較分析。項目地點位于宿州市埇橋區(qū)（其地理坐標為：東經(jīng) 11656'28"～11701'09"，北緯 3337'52"～3340'42"）。鉆井深度100m，回填材料為原土回填，其中單U地埋管采用高密度聚乙烯材質(zhì)（HDPE），管徑為20mm，地下鉆井直徑140mm。單U地埋管換熱器截面和剖面結(jié)構(gòu)如圖1、圖 2。

圖1 單U換熱器橫截面圖

圖2 單U換熱器剖面圖

2 模型的建立

2.1 基本假設

適當?shù)募僭O能夠在確保研究數(shù)據(jù)準確度為前提的條件下加快模型運算速度，合理的假設對于解決問題而言十分重要。為了更好地分析，按照實際情況做出下列的假設：

①假設地表溫度變化忽略不計，土壤的初始溫度在無窮遠處也不發(fā)生變化且均勻一致；

②假設換熱器周圍的復雜固液混合物為均勻固體，忽略周圍巖土體滲流帶來的影響，熱量交換僅以導熱形式進行；

③假設換熱管內(nèi)流體為理想工況即管內(nèi)同一截面的流體具有相同的溫度與流速；

④假設換熱裝置周圍為均勻的巖石、土層和回填料，往徑向和豎向延伸，其熱物性參數(shù)不變；

⑤假設忽略回填材料的接觸熱阻，地埋管與周圍巖土以線熱源方式進行換熱。

2.2 三維模型的建立

根據(jù)以上假設，利用COMSOL軟件建立模型，如圖3、圖4。

圖3 頂部模型圖

圖4 底部模型圖

2.3 三維模型網(wǎng)格分析

本模型外部土壤模擬為半徑5m內(nèi)土壤換熱，井內(nèi)PE管直徑僅為20mm，構(gòu)建網(wǎng)格較為復雜，為使模擬計算盡可能精準快捷，所以采用分區(qū)構(gòu)建的方法。構(gòu)建如圖5、圖6。

圖5 換熱系統(tǒng)網(wǎng)格

圖6 底部單U部分網(wǎng)格

3 模型的驗證

為了驗證模型，根據(jù)地源熱泵運轉(zhuǎn)情況實測分析，得到包括進出口水溫在內(nèi)數(shù)據(jù)，查閱資料及對宿州地區(qū)進行巖土熱響應實驗，可以得到COMSOL模型各部分熱物性。宿州地區(qū)地屬華北平原，地層大多屬于第四系，土壤類型以粉質(zhì)黏土、粉土和粉質(zhì)沙土為主，土壤平均熱導率為 1.8W/（m·K），平均比熱容為2.8MJ/（m·K），初始地溫為18℃。地層平均初始溫度隨時間變化曲線圖如圖7。

圖7 地層平均初始溫度隨時間變化

巖土體平均初始溫度測試歷時5.8h，在未向地埋管提供冷、熱量的情況下保持地埋管內(nèi)水以1.5m/h的流量循環(huán)流動，測得的循環(huán)水溫度即為巖土的平均初始溫度。經(jīng)測定，試驗孔巖土平均初始溫度為18.2℃，即初始地溫。

根據(jù)實際的進水溫度，經(jīng)過模擬，可得實際與模擬所得的出水溫度曲線如圖8。

圖8 出口溫度模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果對比圖

本次模擬為從當日下午8點到次日下午7點，每隔1小時記錄一次出口溫度，共模擬了機組在夏季穩(wěn)定運行24小時的工作狀況，與相同工況下，機組實際穩(wěn)定運行24h所測得的出口溫度進行對比。由圖8可知，實測出口溫度比模擬值較低，是因為土壤中有地下水的存在，所以土壤中存在熱對流，而本模擬把土壤的傳熱看作為純導熱處理，因此實際的傳熱效果要好于模擬效果。通過查閱宿州地區(qū)水文地質(zhì)資料，宿州地區(qū)100m深度土壤溫度大概在18℃，與實驗模擬設定地溫一致。而試驗出口水溫值取穩(wěn)定運行狀態(tài)下24h時間段的數(shù)據(jù)，可以看出實驗與模擬所對應的趨勢一致，出口水溫值較為吻合，誤差不足實際數(shù)值的5%，二者之間最大差值僅為0.6℃，即驗證了本文所采用的的數(shù)值模擬和計算方法的合理性。

4 換熱效率影響因素的分析

4.1 循環(huán)流體流速

實際測算過程中發(fā)現(xiàn)，循環(huán)流體的流速對系統(tǒng)換熱性能有較大影響。為了探究循環(huán)流體流速對地熱井換熱性能的具體影響，本文展開具體的分析研究。本文第2、3章所建傳熱模型模擬流速與實際機組運行循環(huán)流體流速一致，為1.5m/h，且經(jīng)過驗證符合實際情況。所以在原模型基礎上改變流速，得到不同流速下相同時刻的進、出口溫度模擬如圖9～圖13。

圖9 流速為0.5m3/h

圖10 流速為2.5m3/h

圖11 流速為3.5m3/h

圖12 流速為4.5m3/h

圖13 流速1.5m3/h，進口水溫26℃

由圖9～圖13可知，當循環(huán)流體流速分別為0.5 m/h，1..5 m/h，2.5 m/h，3.5 m/h，4.5 m/h逐漸增加時，系統(tǒng)進水溫度一定，設定為26℃，出水口溫度逐漸升高。假設以穩(wěn)定進口流速工作，不同流速各自工作一小時，出口溫度及換熱量模擬數(shù)據(jù)繪制如圖14、圖15。

圖14 出口溫度隨循環(huán)體流速變化圖

圖15 換熱量隨循環(huán)體流速變化圖

由圖14、圖15可知，當循環(huán)流體流速逐漸增加時，出口溫度逐漸增大，溫差減小，但因為流速大，循環(huán)水體流量大，所以整體上系統(tǒng)的換熱量仍處于增加趨勢。而且可以看出，當流速較小時，流速的增加，系統(tǒng)換熱能力顯著增加，當流量增加到一定程度，換熱量增加的趨勢逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。而對于地源熱泵系統(tǒng)，流量越大，循環(huán)水泵功耗也就越大，系統(tǒng)功耗也越大。所以循環(huán)體流速對地埋管換熱器換熱效率影響很大，但并非流速越大，系統(tǒng)就越節(jié)能，要根據(jù)實際需求及系統(tǒng)需要的出水溫度，結(jié)合系統(tǒng)功耗及換熱量，比較換熱量和水泵功耗，確定最合理的循環(huán)體流速，以保證系統(tǒng)在最節(jié)能的方式下正常穩(wěn)定運行。由分析可知，進水流速達到3.5m/h，系統(tǒng)換熱量基本穩(wěn)定，最適宜的入口流速區(qū)推薦在1.3m/h～2.3m/h。

4.2 U型管進口水溫

因為單U型地埋管換熱器進口水溫不同會直接影響系統(tǒng)在地下的換熱量，所以在確定系統(tǒng)的進水口流速情況下，分別設置不同的進水溫度，根據(jù)已驗證的COMSOL模型，得到各個不同進口水溫條件下，進出口溫度分布圖17～圖20。

由圖13，圖16～圖19可知，當循環(huán)水流速一定時，換熱系統(tǒng)分別以22℃、26℃、30℃、34℃、38℃的進口水溫工作，出口水溫也有較大差別，為逐漸升高趨勢。假設系統(tǒng)以1.5m/h的進口流速下穩(wěn)定運行一小時，由模型計算，可得出口溫度及換熱量在不同進口水溫下的變化如圖20、圖21。

圖16 進口水溫22℃

圖17 進口水溫30℃

圖18 進口水溫34℃

圖19 進口水溫38℃

圖20 出口溫度隨循環(huán)水進口溫度變化圖

圖21 換熱量隨循環(huán)水進口溫度變化圖

由圖20、圖21可知，當循環(huán)水進口水溫逐漸增大時，出口水溫隨之增大，換熱量也逐漸增大，但增大趨勢明顯減小，由此可知進口溫度的高低對地下?lián)Q熱系統(tǒng)的性能具有較大影響。而且系統(tǒng)的換熱能力是受到實際條件限制的，夏季制冷工況，過高的進水溫度，會使出水溫度更高，系統(tǒng)的制冷效率降低，熱泵機組效率下降。當?shù)芈窆艹隹谒疁爻^熱泵機組進口水溫時，則會導致機組停機保護，甚至可能會使地下土壤層造成“熱堆積”現(xiàn)象，對環(huán)境和周圍生態(tài)平衡造成損害。因此，換熱器內(nèi)循環(huán)水進口溫度的選擇應該綜合考慮系統(tǒng)換熱量及熱泵機組的性能等因素，在滿足系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行的前提下確定最佳的循環(huán)流體進口溫度。由分析可知，進水溫度達到37℃，換熱量基本不變，最適宜的進水溫度區(qū)推薦在26℃～30℃。

5 結(jié)論

①進口流速和進水溫度對地埋管換熱器換熱量都有很大影響。隨著流速增大，進水溫度升高，換熱量總體上呈現(xiàn)上升趨勢，最后分別在進口流速3.5 m/h，進水溫度37℃時達到穩(wěn)定。

②當循環(huán)水進口流速不同時，流速越大，系統(tǒng)的出水溫度越大，換熱量越大，但加大流速會增加水泵的功耗，所以進口流速在 1.3m/h～2.3m/h范圍內(nèi)時，換熱量增幅最大，換熱效率最高。

③當進水溫度不同時，進水溫度越高，系統(tǒng)的出水溫度也越高，換熱量隨之增大，但過高溫度會使熱泵制冷效率下降，所以進水溫度應控制在26℃～30℃，此時系統(tǒng)換熱效率最高。