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地埋管换热器形式、管径及岩土温度对其换热影响点击：1663 日期：[ 2014-04-26 21:08:27 ] |
| 地埋管换热器形式、管径及岩土温度对其换热性能的影响 南京市建筑设计研究院有限责任公司 郑红旗 张建忠 东南大学 陈九法 摘要：建立了单Ｕ形与双Ｕ形地埋管换热器的三维数学模型。对外径２５ｍｍ与３２ｍｍ的单Ｕ形与双Ｕ形地埋管换热器换热性能的模拟研究表明，相同管径双Ｕ形地埋管换热器比单Ｕ形地埋管换热器换热量提高２０％左右，但外径２５ｍｍ的单Ｕ形地埋管换热器可以获得更大的进出口温差；对于双Ｕ形地埋管换热器，外径３２ｍｍ与２５ｍｍ相比，换热性能无明显优势；工程应用中，在地埋管用地面积充足时，建议选用外径２５ｍｍ的单Ｕ形地埋管换热器，否则应选用外径２５ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器；岩土温度每升高１℃，出口水温升高０．２３℃，换热量下降５％左右。 关键词：地埋管换热器 单Ｕ形 双Ｕ形 管径 岩土温度 换热性能 ０ 引言 在工程应用中，地埋管地源热泵系统常用的换热器形式主要有单Ｕ形、双Ｕ形，对于不同的管形，管径还有大小之分。不同的换热器形式及管径对换热器换热性能有何影响？另外，在地埋管地源热泵系统应用中，对岩土释热与取热的不平衡是最常见的问题之一，当全年的释热量大于取热量时，岩土的温度会上升，那么岩土温度的升高对系统后续的运行会产生什么样的影响呢？本文利用ＦＬＵＥＮＴ软件，对地埋管换热器形式、管径及岩土温度对地埋管换热器出口水温及单位井深换热量的影响进行了研究，以期为工程应用提供一些有益的参考。 １ 几何模型与简化假设 如图１所示，地埋管换热器竖直管段长度为６０ｍ，钻井直径为１３０ｍｍ，单Ｕ形地埋管换热器两支管之间的中心距离为８０ｍｍ。岩土体为与钻井同中心、半径为５ｍ的圆柱体，换热器竖直段底部距离岩土体边界５ｍ，换热器与钻井壁之间为回填材料。双Ｕ形地埋管换热器与此类似，另一Ｕ形支管与该支管垂直相交，长度为６０ｍ，如图２所示。 为了降低建立数学模型的复杂性，从而降低计算的难度，同时，为了保持所得结果的精度符合工程要求，作如下假设： １）岩土体是均匀的，而且在整个传热过程中岩土的热物性不变。 ２）忽略岩土层中水分迁移的影响。 ３）忽略Ｕ形管管壁与回填材料、回填材料与岩土之间的接触热阻。 ４）忽略地表温度波动及埋管深度对岩土温度的影响，认为岩土温度均匀一致，初始温度为当地换热器深度区域内常年平均温度。 ５）钻井间距足够大，忽略钻井与钻井之间的传热影响。 ２ 单Ｕ形与双Ｕ形地埋管换热器三维数学模型的建立 ２．１ 控制方程 ２．１．１ 流体部分 由于在实际工程中地埋管内流体流动状态为湍流，因此对于管内流体流动与换热方程，应采用适合的湍流模型进行求解。在实际的数值计算中，采用Ｋε－两方程模型是一种可选的方法。在本文的模拟计算中，湍流模型采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ Ｋε－标准壁面函数模型。 连续性方程、动量方程、能量方程见文献［１］。Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ Ｋε－标准壁面函数模型见文献［２］。 ２．１．２ 固体部分 热量在ＰＥ管、回填材料及岩土层中通过导热 方式传递，其控制方程为： 式中 ρｓ为固体材料的密度，ｋｇ／ｍ３；ｃ为固体材料的质量热容，ｋＪ／（ｋｇ·Ｋ）；ｔｓ为固体材料的温度，℃；τ为运行时间，ｓ；λ为固体材料的导热系数，Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。 ２．２ 初始条件与边界条件［３］ ２．２．１ 流体部分 初始条件：取地埋管内流体的初始温度为１７．５℃，即 ｔ｜τ＝０＝１７．５℃（２） 式中 ｔ为地埋管内流体的温度，℃。边界条件：夏季地埋管进口流体温度为３５℃，即 ｔ｜τ＞０，ｘ＝０．０４，ｙ＝０，ｚ＝６０＝３５℃（３） ２．２．２ 固体部分 初始条件：取整个固体区域，包括ＰＥ管壁、回填材料部分及岩土部分的初始温度为南京地区岩土常年恒定的平均温度，即 ｔｓ｜τ＝０＝１７．５℃（４） 边界条件：整个物理模型为一个半径为５ｍ，高度为６５ｍ的圆柱体。因此岩土体圆柱侧表面距离钻孔中心的距离以及圆柱底面距离钻孔底部的距离均为５ｍ，这样可以保证在计算时间内热量扩散的距离在设计的物理模型的范围内，并且也能保证圆柱侧面与底面恒壁温边界条件的设置是合理的。 圆柱体的侧面、底面均设为恒壁温的边界条件，即 ｔｓ｜ｒ＝５＝１７．５℃（５） 式中 ｒ为距离钻孔中心的距离，ｍ。 ｔｓ｜ｚ＝－５＝１７．５℃（６） 圆柱体的上表面为绝热边界条件，即 ｑ｜ｚ＝６０＝０（７） 式中 ｑ为圆柱体上表面的热流密度，Ｗ／ｍ２。 ２．３ 网格划分 以双Ｕ形地埋管换热器为例，图２～４显示了换热器网格划分的结果。 ２．４ ＦＬＵＥＮＴ中的求解设置 Ｇａｍｂｉｔ中导出的．ｍｅｓｈ文件被ＦＬＵＥＮＴ读取后，在其中主要完成的是求解器的选择、能量方程的选择、湍流模型的选择、材料的定义、边界条件的设置、监视断面的设置、计算结果的后处理等。 ２．４．１ 求解器的选择 选择分离式求解器。对于非稳态计算，因为使用的是分离式求解器，计算采用ＰＩＳＯ算法［２］。 ２．４．２ 材料及其物性的设置 材料主要有ＨＤＰＥ管、岩土、回填材料、循环水。模拟计算过程中，时间较短，并且各材料物性不发生或只发生微小的改变，但对模拟结果产生的影响可以忽略不计，故认定各物性参数不变。各材料参数的设置如表１所示。 ２．４．３ 时间步长的设置 本模拟是非稳态计算，需要设置时间步长。与ＧＢ ５０３６６—２００５《地源热泵系统工程技术规范》（２００９年版）中热响应实验持续时间一致，本模拟共持续４８ｈ，为兼顾精度与效率，时间步长分为三段：第一段１２ｈ，时间步长为１０ｓ；接下来１２ｈ，时间步长为２０ｓ；最后２４ｈ，时间步长６０ｓ。 ２．４．４ 管内流速的设置 为确保系统及时排气和加强换热，在本文的模拟中，地埋管换热器管内流速取０．６ｍ／ｓ［４］。 ３ 换热器形式对换热性能的影响 ３．１ 单Ｕ、双Ｕ形地埋管换热器出口水温的对比图５显示了在同样３５℃的进水温度下，外径２５ｍｍ和３２ｍｍ的单Ｕ形地埋管换热器与外径２５ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器出口水温随时间的变化。由图５可以看出，运行４８ｈ后，三者对应的出口水温分别为３０．９１，３２．２８，３２．５０℃，进出口温差分别为４．０８，２．７１，２．５０℃，后两者的水温较接近，外径２５ｍｍ的单Ｕ形地埋管换热器的出口水温比后两者分别低１．３７，１．５９℃，因此运行时主机的运行效率可提高４％～５％左右。 ３．２ 单Ｕ、双Ｕ形地埋管换热器换热量的对比 图６显示了在同样３５℃的进水温度下，外径２５ｍｍ和３２ｍｍ的单Ｕ形地埋管换热器与外径２５ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器单位井深换热量随时间的变化。由图６可以看出，４８ｈ后，三者的单位井深换热量分别为５５．４８，５９．９５，６７．９２Ｗ／ｍ，后两者换热量分别比前者提升了８％和２２．４％。换热量的提升，可以减少钻井的数量，显著降低初投资。 ３．３ 单Ｕ、双Ｕ形地埋管换热器热量传递距离的对比 研究热量随时间传递的距离即扩散半径对于合理确定钻井间的距离、避免钻井之间的热干扰有重要作用。本文主要研究换热器形式、散热量（换热器形式不同会导致散热量的差异）等对热量传递距离的影响。 选择的钻孔深度均为６０ｍ，在井外３０ｍ深度处，每间隔０．１ｍ设置一个监测点，如果该处温度升高０．１℃，则认为该处的温度发生了变化。在模拟中，假定系统连续运行６０ｄ（每天２４ｈ）（至少相当于白天运行１２ｈ、夜间停止运行的模式１２０ｄ）。图７显示了换热器连续运行６０ｄ后岩土温度场的分布。 图８显示了连续运行模式下热量传递距离随时间的变化。由图８可以看出，对于外径２５ｍｍ和３２ｍｍ的单Ｕ形地埋管换热器与外径２５ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器，连续运行６０ｄ后，它们的热量传递距离达到了４．６～４．７ｍ，运行过程中热量传递距离最大相差０．３ｍ，差异不明显。 综上所述，从热量传递距离角度考虑，三种换热器的差别很小，但埋设同样数量的双Ｕ形地埋管换热器不会明显地扩大占地面积。从换热效率上看，双Ｕ形地埋管换热器单位井深换热量与前两者相比有明显提升，选择外径２５ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器能减小换热器的设计长度。但是外径２５ｍｍ的单Ｕ形地埋管换热器有更大的进出口温差，使地源侧系统在大温差、小流量的状态下运行，可降低泵功耗；同时出口水温的降低（夏季工况）会有利于主机运行效率的提升。工程应用中，在埋管用地面积充足时，建议选用外径２５ｍｍ的单Ｕ形地埋管换热器；在埋管用地面积不足时，建议选用外径２５ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器。 ４ 不同管径双Ｕ形地埋管换热器换热特性的对比研究 在工程中，对于双Ｕ形地埋管换热器，较为常见的是外径为２５ｍｍ的ＨＤＰＥ管，但是也有部分工程采用的是外径为３２ｍｍ的ＨＤＰＥ管，那么这两者的换热性能有何差别呢？ 图９显示了管径对双Ｕ形地埋管换热器出口水温的影响（恒定进口温度３５℃）。由图９可以看出，运行４８ｈ后，外径２５ｍｍ和３２ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器的出口水温分别为３２．５０，３３．３８℃，温差分别为２．５０，１．６２℃，前者的出口水温比后者低０．８８℃。 图１０显示了管径对双Ｕ形地埋管换热器单位井深换热量的影响。由图１０可以看出，运行４８ｈ后，外径２５ｍｍ和３２ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器的单位井深换热量分别为６７．９２，７１．４３Ｗ／ｍ，后者仅比前者提高５．２％。但是，外径３２ｍｍ换热器的进出口温差比外径２５ｍｍ换热器小，前者构成的系统与后者相比，泵功耗增加，主机运行效率下降。 对比图１０中外径３２ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器与图６中的外径３２ｍｍ的单Ｕ形地埋管换热器，前者换热量比后者提高１９％。同样条件下，外径２５ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器比单Ｕ形地埋管换热器换热量提高２２％。可以看到，虽然换热器管径不同，但在相同条件下双Ｕ形地埋管换热器与单Ｕ形地埋管换热器相比，换热量提高的幅度接近。 综合考虑地埋管换热器的出口水温、换热量、泵功耗等因素，外径３２ｍｍ的地埋管换热器与外径２５ｍｍ的相比，无明显优势。工程应用中，对于双Ｕ形地埋管换热器来讲，应选用外径２５ｍｍ。 ５·岩土温度对出口水温及换热量的影响 一方面，岩土的初始温度对地埋管换热器的散热和取热有直接的影响；另一方面，地埋管地源热泵系统运行一段时间后，由于散热与取热的不平衡，也会改变岩土的初始温度。 图１１显示了对于外径２５ｍｍ、钻井深度６０ｍ的单Ｕ形地埋管换热器，在进水温度３５℃时，岩土温度分别为１７．５，１８．５，１９．０℃情况下，出口水温随时间的变化。由图１１可以看出，４８ｈ后，出口水温分别为３０．９４，３１．１７，３１．２８℃，进出口温差分别为４．０６，３．８３，３．７２℃，后两者与前者相比，虽然岩土温度分别有１，１．５℃的差别，但是出水温度只有０．２３，０．３４℃的差别，岩土温度的差别对水温造成的差别是不成比例的。岩土温度每升高１℃，出口水温升高０．２３℃。 图１２显示了不同岩土温度下单位井深换热量的变化。由图１２可以看出，４８ｈ后，单位井深换热量分别为５５．０８，５１．９３，５０．３６Ｗ／ｍ。岩土温度每升高１℃，换热量下降５％左右。 ６ 结论 ６．１ 对外径２５ｍｍ和３２ｍｍ的单Ｕ形地埋管换 热器及外径２５ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器换热性能的模拟对比表明，后两者换热量分别比前者提高了８％和２２．４％。但是对于外径２５ｍｍ的单Ｕ形地埋管换热器来讲，可以获得更大的进出口温差，使地源侧系统在大温差、小流量的状态下运行，降低了泵功耗；同时出口水温的降低（夏季工况）有利于主机运行效率的提升。 工程应用中，在埋管用地面积充足时，建议选用外径２５ｍｍ的单Ｕ形地埋管换热器；反之，应选用外径２５ｍｍ的双Ｕ形地埋管换热器。 ６．２ 对外径３２ｍｍ与外径２５ｍｍ的双Ｕ形地 埋管换热器的对比研究表明，换热性能前者与后者相比无明显优势。工程应用中，对于双Ｕ形地埋管换热器，应选用外径２５ｍｍ。无论外径是２５ｍｍ还是３２ｍｍ，相同管径双Ｕ形地埋管换热器的换热量比单Ｕ形地埋管换热器提高２０％左右。 ６．３ 在岩土温度分别为１７．５，１８．５，１９．０℃的情况下，换热器换热性能的模拟结果表明，岩土温度每升高１℃，出口水温升高０．２３℃，换热量下降５％左右。 参考文献： ［１］宋小飞，温治，司俊龙．地源热泵Ｕ形管地下换热器的ＣＦＤ数值模拟［Ｊ］．北京科技大学学报，２００７，３７（３）：６４－６８ ［２］王福军．计算流体动力学分析－ＣＦＤ软件原理与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４：１２５，１９８ ［３］包强．土壤耦合热泵Ｕ形埋管换热器数值模拟［Ｄ］．长沙：中南大学，２００７ ［４］中国建筑科学研究院．ＧＢ ５０３６６—２００５ 地源热泵系统工程技术规范［Ｓ］．２００９年版．北京：中国建筑工业出版社，２００９ |
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