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钻孔间距和布置形式对地埋管管群传热影响的研究点击：1721 日期：[ 2014-04-26 21:40:00 ] |
| 钻孔间距和布置形式对地埋管管群传热影响的研究 余斌 王沣浩 颜亮 (西安交通大学) 摘 要：建立地源热泵管群传热模型,通过数值模拟方法研究钻孔间距和布置形式对管群传热的影响。研究结果表明:钻孔间距增大能够明显减缓管群区域热效率的衰减,叉排布置比顺排布置更优;对于给定数量和钻孔间距的管群,其钻孔布置区域的周长与面积比越大,整个地埋管换热器的效率也就越高。研究结果对于地源热泵地埋管管群的优化设计具有一定的指导意义。 关键词：地源热泵;管群;钻孔间距;布置形式;传热 地源热泵技术在我国已经得到广泛的应用,工程的规模也越来越大,埋管数量已经达到几百甚至上千个。管群换热器在实际运行过程中的传热是耦合的,所以一些单井的研究结论不能直接应用于大面积的管群传热分析[1]。由于地埋管换热器设计或运行不合理导致的系统在运行几年后换热情况恶化,机组效率下降等现象时有发生。从研究现状来看,目前对地源热泵研究的重点是放在单井传热模型的完善上,对管群关注相对较少。对于实际工程应用,管群设计是非常重要的,其设计的好坏直接影响工程的安全性和经济性,所以除了对单井传热模型进行完善外,对管群传热特性进行研究也是必要的。影响地埋管管群换热的因素很多,其中钻孔间距和管群布置形式是非常重要的2个因素。但是目前在实际工程中缺乏确定钻孔间距的计算方法,大部分工程仍依靠经验来确定。另一方面,国家规范中对管群布置形式的确定指导性不强,实际工程中广泛采用单一的顺排形式。笔者通过建立地源热泵管群传热模型,采用数值模拟的方法,对土壤源热泵工程设计中钻孔间距和布置形式对地埋管管群传热的影响进行研究,为土壤源热泵系统的设计与研究提供理论依据。 1 管群传热模型及评价指标 1.1 传热模型 竖直地埋管管群周围土壤的实际传热过程十分复杂,它与土壤的热物性、地埋管间距及布置方式、冷热负荷平衡、地下水渗流等因素有关系。为使求解方便,忽略对管群影响的次要因素,建立模型时作以下假设[2]: 1)土壤的初始温度均匀,且被近似为无限大的传热介质; 2)土壤具有常物性,忽略钻孔内热容的影响,直接将温度响应施加在钻孔壁面; 3)不考虑地表的温度影响,忽略地下水的流动; 4)钻孔壁面温度恒定,只考虑径向导热,不考虑轴向导热。 根据以上假设,对管群传热的分析简化成为二维平面上的导热问题,导热微分方程为二维非稳态形式,在二维坐标系下可写为： 式中:t0为土壤初始温度(℃);τ为时间(s);α为土壤的热扩散率(m2/s)。 边界条件:①钻孔壁面为第一类边界条件,即定钻孔壁温;②管群布置区域的远端边界采用绝热边界条件,远端边界以外的区域认为其温度未受到干扰,为土壤初始温度t0(见图1)。其中,远端边界到管群最外侧钻孔中心的距离取160倍钻孔直径。 1.2 评价指标及参数设置 在讨论模拟结果时,需要对模拟结果建立统一的对比评价指标。采用Qiang zhang[3]提出的对管群传热过程分析时引入的无量纲参数———区域热效率Ei进行评价。 式中:qi,n为管群布置时第i个钻孔的热流;qi,n=1为1个钻孔单独布置,采用相同的模拟条件时的热流;n为管群的钻孔数量。 在引入的结果评价参数中,单井的热效率认为是最高的,即qi,n=1=1,模拟中其参数设置见表1。 表1主要参数设置 2·钻孔间距对管群传热的影响 合理确定钻孔间距十分重要,钻孔间距过大须要占用很大的地表面积,这在实际工程中往往行不通;而钻孔间距过小会影响地源热泵系统的高效、安全运行。目前地埋管钻孔间距的确定原则和方法并不统一。GB50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》[4]规定钻孔间距宜为3.0~6.0m,但是并没有明确指出在什么情况下采用3.0m,在什么情况下采用6.0m;美国ASHRAE《地源热泵工程技术指南》推荐的最小间距为15ft(4.572m)[5]。实际工程多采用经验值,国内工程3.0~6.0m间距都有采用,但以小于等于5.0m居多,国外工程4.0~25.0m都有采用。下面对钻孔间距对管群传热的影响进行分析。图1所示为不同钻孔间距时管群布置示意图,顺排6×6形式布置,其他设置参数同表1。图2所示为管群的热效率变化趋势。 由图2可以看出,在最初运行的几十小时内,不同钻孔间距下,管群区域热效率都趋近于1,这表明此时钻孔间相互基本无热影响。随着模拟时间的增长,不同钻孔间距的热效率曲线开始分离,钻孔间距小的,其热效率曲线随时间的下降幅度也比较大。运行至2 500h时,间距为6.0m的钻孔壁面热效率为钻孔间距为3.0m时的2.4倍;运行至5 000h时,间距为6.0m的壁面热效率为钻孔间距为3.0m时的2.6倍。增大钻孔间距对提高管群区域热效率效果非常明显。同时由图2也可以看出,钻孔间距为3.0m的管群区域,运行至4 500h时,区域热效率开始趋于稳定,这说明此时管群区域的热影响已经非常充分,而钻孔间距大的管群区域则还有明显的下降趋势。 模拟结果表明,钻孔间距的增大,能明显减缓管群区域热效率的衰减,其管群区域热效率的变化也越接近于单井的热效率。但是钻孔间距增大带来的管群热效率增大的幅度也逐渐减小,实际工程中因为地表面积有限,不会无限增大钻孔间距。 3·钻孔布置形式对管群传热的影响 管群的布置形式对地源热泵系统的影响也非常大,合理设计布置形式可以提高地下换热器的换热效率,节省地表建筑面积。GB50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》规定钻孔布置形式应根据现场条件确定,美国ASHRAE《地源热泵工程技术指南》给出的设计原则是大面积管群布置要减少热积聚。可以看出,国家规范和技术指南只提供了基本的设计原则,但是对管群布置形式的指导不深入,实践操作性不强。目前实际工程中管群的布置须要根据现场条件确定,大面积管群排布时,多采用顺排形式(正方形),未对布置形式进行优化设计。 3.1 顺排和叉排的对比 为了对比管群在顺排和叉排布置条件下的热效率,设置了3种形式的布置方案,顺排形式为正方形布置,叉排形式为正三角形布置。管群区域内钻孔采用12×12布置,钻孔数量相同:方案一,顺排布置,钻孔间距4.572m;方案二,叉排布置,钻孔间距4.572m;方案三,叉排布置,钻孔间距4.913m。方案二与方案一的钻孔间距相同,但比方案一大约节省地表面积10%~13%。方案三与方案一占用地表面积相同,但是其钻孔间距要大于方案一。根据对称性,模拟时选取钻孔布置区域的1/4进行计算,以节省计算时间。钻孔布置示意图见图3和图4,其他参数设置同表1,模拟结果如图5所示。 由图5可以看出,方案一与方案二的热效率在运行时间内相差不大,到2 000h时相差约2%,到5 000h时相差约3%。这表明虽然在相同钻孔间距条件下,管群叉排布置的热效率略低于顺排时热效率,但是叉排节省建筑地表面积却达到10%~13%。对比方案一与方案三可以看出,2种方式的占用地表面积相同,但是由于方案三采用叉排形式,其钻孔间距增大,所以其热效率明显高于顺排时的,到5 000h时已经达到5%左右。可以看出,对于钻孔数量和钻孔间距相同的管群区域,在可接受的热效率下降范围内,叉排布置更能节省地表面积。如果管群布置区域内钻孔数量和占地表面积均相同,叉排布置时热效率优于顺排布置。 在模拟过程中同时监测了图3中不同管群位置钻孔热效率的变化趋势,结果如图6所示。由图可以看出,在2 500h时,钻孔1热效率下降幅度最小,为17.2%,这表明其受到相邻钻孔的热干扰最小。钻孔2和钻孔3的热效率变化曲线基本重合,下降幅度达到29.1%,表明此时这2个钻孔受到的热影响程度相同。钻孔4~钻孔7的热效率变化曲线基本重合,下降幅度达到40%,说明此时这几个钻孔受到的热影响程度相同。当模拟时间为5 000h时,钻孔2和钻孔3的热效率下降幅度接近,钻孔4~钻孔7的热效率变化幅度接近,其中钻孔6和钻孔7的曲线基本重合,下降幅度达到70.2%,这说明在模拟时间内,钻孔6和钻孔7受到周围钻孔的热影响完全相同,这表明此时管群内区的热影响已经非常充分。 在整个管群布置区域内,处于周边区域的钻孔由于受到的热影响较小,其换热情况较好。内部区域由于受到相互间的热影响强烈,热积聚效应显著,钻孔的热效率有较大下降。管群周边区域的范围约为周边2~3排,3排以后的内区,钻孔的热效率变化趋势基本相同。 3.2 相同钻孔数量,不同管排数的对比 当管群数量相同时,钻孔排数的增多会使管群热积聚效应增强,导致管群区域热效率降低。表2给出了36个钻孔(钻孔间距为4.572m,占地表面积为164.59m2)采用不同管排数时的布置形式列表,其他参数设置见表1。管群区域的热效率变化趋势如图7所示。 由图7可以看出,在模拟时间内,钻孔数量相同时,钻孔单排布置时的管群区域热效率最高,随着钻孔布置区域的周长面积比的减小,管群区域热效率不断下降。钻孔单排布置和双排布置的热效率差异比较大。4×9和6×6两种布置形式的周长面积比差值较小,所以其热效率下降的幅度也比较接近。运行时间超过5 000h后,钻孔6×6布置时的热效率仅为1×36布置时的59%。 热效率随管群布置区域的周长面积比的变化趋势如图8所示。由图可以看出,顺排时,管群布置区域的周长与面积的比越大,随着运行时间的增长,整个管群换热器的热效率就越高;同样的结论适用于叉排。 4·结论 笔者建立了管群的传热模型,通过数值模拟的方法分析了钻孔间距对管群换热的影响,对比了顺排和叉排形式以及不同管排数时管群的区域热效率变化趋势,得到的主要结论如下: 1)钻孔间距是影响地埋管管群传热效率最主要的参数之一。随着钻孔间距的增大,管群的区域热效率也上升,但是由钻孔间距增大带来的热效率上升的幅度逐渐减弱。合理的钻孔间距应该在可接受的管群区域热效率下降范围内,根据土壤导热系数、系统运行时间以及工程现场实际状况综合确定。 2)管群的布置形式对区域热效率有很大影响。在管群布置区域内,对于确定位置的钻孔,其受到的热影响越大,热效率衰减的幅度也越大。综合来看,无论是从节省地表建筑面积还是提高管群传热效率来分析,叉排布置形式均优于顺排布置形式。对于数量一定,钻孔间距确定的管群区域布置,其埋管布置区域的周长与面积的比值越大,整个地埋管管群换热器的效率就越高。 参考文献 [1] Genk Yavuzturk. Modeling of vertical ground loopheat exchangers for ground source heat pump systems[D]. Oklahoma: Oklahoma State University,1999. [2] 曲云霞.地源热泵系统模型与仿真[D].西安建筑科技大学,2004. [3] Qiang Zhang. Heat transfer analysis of vertical U-tube heat exchangers in a multiple borehole filed forground source heat pump systems[D]. University ofKentucky,1999. [4] GB50366—2005地源热泵系统工程技术规范. [5] 美国制冷空调工程师协会.地源热泵工程技术指南.徐伟,译.北京:中国建筑工业出版社,2001. |
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