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地下水渗流对土壤耦合热泵换热器传热的影响点击：2048 日期：[ 2014-04-26 21:58:17 ] |
| 地下水渗流对土壤耦合热泵换热器传热的影响 吴建林，邹祖绪，龚静 （武汉工业学院土木工程系，湖北武汉430023） 摘要：针对国内外关于土壤耦合热泵的传热模型及其计算方法，未考虑地下水渗流的影响的问题，应用地下水渗 流理论和传热学理论，建立了考虑热传导和地下水渗流共同作用的热渗耦合传热模型，分析了地下水渗流对其传热 模型的影响，这为土壤耦合热泵换热器的传热计算和分析提供理论支持。 关键词：换热器传热模型；地下水渗流；土壤耦合热泵；热渗耦合作用 中图分类号：TU 832.29文献标识码：A 0 引言 地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天 把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖 方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。地源热泵是一种先进的技术，它高效、 节能、环保，有利于可持续发展，在欧美应用较为 广泛，但在我国尚处于起步阶段。 地源热泵（ground-source heat pumps,GSHP）系 统包括三种不同的系统[ 1]：以利用土壤作为冷热源 的土壤源热泵，为地下耦合热泵系统 （ground-coupled heat pump systems）或者叫地下热 交换器热泵系统（ground-heat exchanger）；以利用 地下水为冷热源的地下水热泵系统（groundwaterheat pumps）；以利用地表水为冷热源的地表水热泵 系统（surface water heat pumps）。在地源热泵的三 种不同的系统形式中，由于采用地下埋管换热器， 使得土壤源热泵的技术难度最大，设计和施工困 难，所以一直是地源热泵技术的难点和核心所在。 地源热泵地下传热模型理论基础有三种[ 2-3]，如 线源理论（Kelvin 1882，Ingersoll 1954）、圆柱源理 论(Carslaw&Jaeger1946)以及其他数学模型 (Mei&Emerson 1985，Muraya,et al.1996， Rottmayer，et al.1997)等，国内在地埋管换热器传 热理论方面已开展了不少工作[ 4-7]，但相对实验研究 而言明显滞后。然而，岩土体是固、液、气相混合 的多孔介质，对于地下竖直埋管换热器而言，由于 穿越各种不同性质的地质层，各地质层的性能都会 极大影响其传热过程，尤其是盘管管段大部分位于 地下水位以下的岩土体饱和区内，地下水流动的影 响尤为重要，对于孔隙率大、渗透系数较高的含水 层，作用更为明显，现有的国内外资料也已经证实 了这一点。因此，考虑不同的地质层、地下水流动 等因素的影响是很必要的。影响地埋管地源热泵系统性能的因素较多，包括地下水流动、回填材料的 性能、换热器周围发生相变的可能性以及沿管长岩 土体物性的变化等等，如何完善地埋管换热器的传 热模型，使其更好地模拟地埋管换热器的真实换热 情况，确定最佳地埋管换热器的尺寸是发展和推广 地埋管地源热泵的关键。因此，有必要对影响地下 热交换器设计的地下水流动进行理论分析。 1.地下水流动对地埋管换热器的影响 任何地区在一定的地下深度都存在一个含水 层，地下水渗透和流动无处不在。在钻井现场设计 过程中，许多复杂情况都是由于地下水的流动而导 致的，地下水的流动不仅影响到岩土热传导率测定 的准确性，而且影响到整个换热器的长期性能。当 然，地下水流量大时会因为热对流而有利于系统换 热[ 8-9]，此时如果在设计中考虑地下水流动影响，会 减少了热交换器的设计长度。为了方便实际工程中 的设计，有必要引入一个判别条件来判定什么时候 该考虑地下水流动对换热器设计的影响，国外普遍 引入Pe数 [10] (Bear 1972，Domenico&Schwartz 1990) 来判别地下水流动对地下埋管热交换器的影响程 度，并经过实验及许多工程实践的验证，采用该数 来判别地下水流动对地下环路热交换设计的影响， 基本上满足工程精度，且符合实际情况。 Pe数（Peclet Number）是在进行地下环路热交换器的设计时，判别是否应考虑地下水渗流影响的条件。它的物理意义是表示在地下水渗流中热对流强度与热传导强度的对比关系。其表达式为： 式中λl为流体的热传导率（W/m·K)；λs为固体的热 传导率（W/m·K)；n为透水介质的孔隙率，即多孔介质中孔隙体积占总体积的比率。若孔隙体积为 Vp，总体积为Vt，则n=Vp/Vt。孔隙率与介质的属性有关 [11] ，砂土为25～50％；粘土为40～70％； 岩石为5～30％。 式（1）中Pe数的值在0.4~5之间，地下渗流中既有热传导的作用，又有热对流的作用；而当 Pe>5时，主要是热对流来进行热传递。在实际工程 中，Pe>1时才考虑地下水渗流对地下环路热交换器设计的影响。 2.地下水流动和传热控制方程 2.1地下水流动控制方程 对于地下环路热交换的设计而言，由Pe数可以看出，只需考虑介质在饱和状态的情况，而且假定流体密度和粘度均为常数，岩土为单一均匀介质，此时由达西定律得出地下水流动控制方程为： 2.2地下水流动传热的控制方程 通过多孔介质的热迁移有三个过程：1）通过 固相的热传导；2）通过液相的热传导；3）通过液 相的热对流。 通过多孔介质传热的控制方程为： R为延迟系数，因液体和固体之间体积热容不同导 致热量迁移的延迟而引入的系数，由下式计算 方程中可视为常数的有关特性参数如λ，K，c， ρ均与岩土类型有关，它们只能通过试验或现场测定。 采用有限差分法，将方程（4），（6）转化为差 分方程，导入相关的边界条件和初始条件，编出计 算程序，就可以得出地下水渗流对地下环路热交换 器实际的影响程度，结合线源或圆柱源相关理论， 最终求出整个换热器的换热系数，利用此换热系数 来确定管长和钻井深度，既符合实际情况，又达到 节能、经济的目的。有关研究表明，在工程中其它 参数已确定的情况下，当地下水流量为0时，热传 导率为1.11 W/m·K，钻井深度为73.15 m；而当地 下水流量变为240 m/a时，热传导率为1.98 W/m·K，钻井深度变为52.29 m。明显可以看出， 随着地下水流量的增加，其钻井深度会减少，从而 减少了钻井费用和管材费用。 3 结论 地埋管换热器模型的完善与否是地埋管地源热泵系统能否推广应用的主要影响因素。竖直地埋管穿越的地质层以及地下水流动对其传热性能影响很大。在设计中，应对工程现场进行地质勘查和水文地质分析，了解当地地下水渗流情况，并考虑地下水渗流对换热的影响，通过地下水流动与传热控制方程，借助有关数学模型和计算机运算，就可以定量确定出地下水流动的影响程度，这不仅有利于节省初投资费用，而且有利于掌握整个系统在寿 命周期内的运行情况，对地埋管地源热泵系统的发展和推广是很有必要的。 参考文献： [1]Cane R L D,Forgas D A.Modeling of GSHP performance[G]∥ASHRAE Trans,1991,97(1):909-925. [2]Chiasson A D.Advances in modelling of ground-source heat pump systems[M].MSc Thesis Oklahoma State University,1999. [3]DEERMAN J D,KAVANAUGH S P.Simulation of vertical u-tube ground-coupled heat pump systems using the cylindrical heat source solution [J].ASHRAETransac-tions:Research,1998,104:287-295. [4]刘宪英,胡鸣明.地热源热泵地下埋管换热器传热模型的综述[J].重庆 建筑大学学报,1999,21(4):106-110. [5]李芃,仇中柱.垂直埋管式土壤源热泵埋管周围土壤温度场的数值 模拟[J].建筑热能通风空调,2000,19(4):1-4. [6]张旭.土壤源热泵的实验及相关基础理论研究[M].殷平.现代空调 3[C].北京:中国建筑工业出版社,2001.75-87. [7]曾和义,方肇洪.U型管地热换热器中介质轴向温度的数学模型[J].山 东建筑工程学院学报,2002,17(1):5-9. [8]Witte H J L,Gelder A J V,Serr(a)o M.Comparison of design and operation of a commercialUK ground source heat pump project[C]∥1st International Confermal Ground Heat Exchanger,2001 [9]Witte H J L.Geothermal response tests with heat extraction and heat injection:example of application in research and design of geothermal ground-heat-exchangers[EB/OL].2001. [10]Bear J.Dynamics of fluids in porous media[M].American Elsevier Publishing Company Inc.,1972. [11]谭显辉,丁力行.影响地下环路热交换器设计的地下水流动的理论分 析[J].制冷空调与电力机械2003(05),14-16 |
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