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渗流对地下埋管换热器传热管间距的影响点击：1756 日期：[ 2014-04-26 22:00:41 ] |
| 渗流对地下埋管换热器传热管间距的影响 乌买尔·乌守尔 (新疆工业高等专科学校城建与环保系,乌鲁木齐 830091) 摘要：为确定地下水渗流对土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统中竖直地下管群换热器管间 距的影响,本文基于热渗耦合作用下的数学模型,采用整体求解方法模拟了冬、夏季工况下管内流 体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场,分析了地下水渗流对其传热过程的影响。结果表明在冬 夏工况下管间距宜不同,地下水运动对温度场的影响明显,而且地下水流速越高影响越大。 关键词：土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统;地下埋管换热器;热渗耦合;管间距模拟分析 中图分类号：TK124 文献标识码:A 文章编号:1002-6339 (2009) 02-0167- 0 引言 我国地域辽阔,蕴藏着丰富的地表浅层地能资源 (通常小于400 m),由于土壤源热泵自身的优越性,以及人们对环保、节能意识的日益重视,土壤源热泵在我国必将有着广阔的发展前景。土壤耦合热泵系统 因其使用可再生的地热能,被称为是21世纪的一项 最具有发展前途的具有节能和环保意义的制冷空调技术,而蓄冷技术则是为缓解电力供应紧张局面,在 以平衡电网峰谷负荷、削峰填谷为目的的形势下迅速 发展起来的一种改变电力需求侧用电方式的空调技术。该系统在建筑物空调时段,进行周期性的蓄冷、释冷、停机运行,盘管周围土壤也随之发生周期性的 冻融相变;冬季可供给建筑物所需的热量。本文研究了渗流对地下管群换热器换热的影响情况。目前国内外关于竖直U型埋管换热器的传热模型都是基于 纯导热的模型,虽然很多研究者和工程技术人员认识到地下水渗流可能对地下埋管换热器的换热能力产生重要的影响,也提出过一些定性的分析,但是由于 该问题的复杂性,至今很少见到深入的理论分析,现有的地下埋管换热器设计软件主要基于线热源理论、圆柱热源理论、能量守恒方程等来建立控制方程,也都没有考虑地下水渗流的影响。 1 地下管群换热器 土壤蓄冷与土壤耦合热泵系统主要应用于冬夏负荷不平衡的地区,在夏季对土壤进行蓄冷、释冷, 使埋管换热器兼作换热器和蓄冷装置用,冬季对建筑物供热。由于冬夏对地下管群换热器的要求不相同,夏季要求管间距较小,有利于蓄存高品质冷量; 冬季为了满足供暖要求,避免时间久出力不足现象, 就需要较大的管间距。本文即针对这种情况,冬夏 采用不同连管方式组成不同的地下管群,模拟分析地下管群换热器的传热机制。冬夏采用的地下管群换热器模型,夏季采用37根管联供,夜间10 h蓄冷, 降低土壤温度;白天8h释冷,供给建筑物空调使用, 6 h停机。冬天采用7根管进行10 h供暖。 1·1 热渗耦合作用下的传热模型 地下管群换热器的传热是一个复杂的。非稳态 的传热过程。而且该过程所涉及的几何条件和物理 条件也都很复杂。所以为了便于分析,须对问题作 以下必要的简化。将土壤看成一个均匀的、各向同 性的多孔介质;忽略质量力,不考虑热辐射影响和粘 性耗散,流体与固体瞬间达到局部热平衡,将两管脚传热相互影响的垂直U型管换热器等效为一当量直径的单管等。 在非等温渗流中,一个物质系统或空间体积内含有固体和流体两部分。在研究实际非等温渗流时要把二者结合起来构成统一的能量方程,并且当对土壤、管壁、管内流体分别建立能量方程进行求解时,各个交界面上的边界条件都包括温度及热流密 度两类条件,而这种热边界条件是与热量交换过程动态耦合。针对这种耦合传热问题,本文为了避免反复迭代计算,采用了整场离散,整场求解方法,由此得到地下埋管换热器非稳态通用控制方程为: 针对系统夏季蓄冷、释冷运行过程中存在的固液相变问题,本文采用了固相增量法。在土壤冻融相变过程中存在着冻结区、未冻结区及两相模糊区,该两相模糊区限制在冻结温度的等温界面和解冻温度的等温界面之间,因此定义无因次量即固相率为土壤冻融相变模糊区中冻土所占的质量成分。同时假定固相率的增加(或减小)与土壤水相变潜热的释放(或吸收)量成正比,并且在土壤的冻融相变温度区间内,土壤水的相变潜热是均匀地与温度呈线性地释放与吸收,如图1所示。 固液相变过程中的潜热交换处理成内热源,即: 此外,当土壤冻结时,上述公式中流体的相应项都采用冰的相应项参数,并且渗流速度为零;当土壤处于两相模糊区时,上述公式中流体的相应项按下式计算: 如果分别对土壤与盘管温度进行求解,则二者交界面上的边界条件应包括温度及热流密度两类条件。盘管内壁与流体交界面同样也受到流体与壁面 之间相互作用的制约,这种热边界条件是由热量交换过程动态的加以决定而不能预先给定,针对这种耦合传热问题,可以先假定交界面上的温度分布,对其中一个区域进行求解,得出耦合边界上的局部热流密度和温度,然后再求解另一区域,得出界面上新的温度分布,再以此为基础重新计算第一个区域,反复计算以至收敛。本文为了避免这种反复迭代计算, 采用了整场离散、整场求解方法,界面上的当量热扩散系数采用调和平均法。由于不同介质相交界面两侧物质的热容不相等,为了满足耦合界面上热流连 续条件,由上述得到地下埋管换热器非稳态通用控制方程为: 其中,角标i为s,P,分别对应于土壤、管内流体 和盘管;坐标i或p,分别对应于土壤或管内流体。公式(15)为系统运行过程中的控制方程,当系统停运 时,管内流体处于静止状态,流体与管壁间以导热的 形式进行传热,此时管内流体的能量平衡方程为: 则上式与共同构成地下埋管换热器停运时的控制方程。 本文针对地下埋管换热器管群进行模拟分析采用整场模拟进行整体求解的方法。针对地下埋管换热器物理模型的复杂性,采用非结构化网格进行 划分。有限容积法对方程离散,迭代法求解。为了分析土壤蓄冷与土壤耦合热泵系统地下管群换热器的全年运行情况,本文分别对冬天工况,夏天工况进 行计算分析。对于冬天工况、系统连续运行60 d,每 天供暖10 h,对于夏天工况,采用了15 d预蓄冷,然后 正常运行60 d,每天10 h蓄冷,8 h释冷,6 h停机的运 行模式,并且在正常运行的60 d内系统已经达到平衡。 2 地下管群换热器管间距模拟分析 2·1 夏季工况分析 在夏季工况下运行时,地下埋管换热器采用3根管进行联供。由于较小的管间距有利于夜蓄日释方式的运行,因此在夏季分别采用0·6 m,0·8 m 1·0 m管间距的地下埋管换热器。三种间距情况下的地下管群换热器逐日蓄,释冷量。可知三种间距 情况下的盘管前期预蓄冷量随着时间逐渐降低,进入正常运行阶段后,间距为0·6 m时的盘管逐日蓄冷量逐渐升高然后达到稳态。而后两种情况下的盘管 逐日蓄冷量逐渐降低然后达到稳态,这说明对于不 同管间距的地下管群换热器应该采用不同的预蓄冷时间,间距越小所需的预蓄冷时间越短,不同间距情 况下的日蓄,释冷量也不同,随着间距的增加,盘管 的蓄冷量虽然逐渐增加,但释冷量却逐渐降低,这主要是由于间距增加使得管间影响变弱,有利于蓄冷过程进行,但是同样也是由于间距增加使得蓄进的 冷量损失较大,尤其是换热器最外圈直接接触的外围土壤环境更大。因此冷量损失较大也造成了释冷量的降低,不利于空调工况运行。因此较小的管间距更有利于夏季工况,出了夏季工况下达到稳态后三种间距情况下的盘管逐时出水温度,随着运行时 间延长盘管逐时出水温度逐渐降低,并且随着间距的增大,盘管逐时出水温度也越来越高,随着间距增加。 2·2 冬季工况分析 在冬季工况下运行时,由于较大的管间距能减 轻管间的热干扰问题,更有利于盘管取热。因此为 了对比分析,本文选取了两种联管方式。一种是间距分别为1·8 m,2·4 m,3·0 m的根盘管换热器,其中 三种间距分别对应于夏季工况下的,0·6 m,0·8 m 1·0 m间距方式,另一种方式下为了尽量利用现有的 盘管。因此选择了管间干扰较小的10根管来组成 换热器。本文为了标示方便,管间距0·6 m,0·8 m 1·0 m分别为相应的夏季盘管间距。可以看出间距 越大盘管逐日取热量越高,并且随着运行时间盘管 逐日取热量逐渐降低,但与7根管组成的管群换热 器相比,10根管组成的换热器的取热量较高。7根 管组成的管群换热器的盘管出水温度要高于10根 管组成的管群换热器,60 d运行过程中,前者的日平均盘管出水温度要比后者的日平均盘管出水温度高 0·36~0·29℃。根据上述分析可知,在实际应用中 应尽量取10根管组合,但还应考虑建筑物冬季热负荷情况,地下管群应与建筑物负荷相匹配,因此实际应用中应进一步根据建筑热负荷情况来选择联管方式。 3 结论 地下埋管换热器的传热是一个复杂的、非稳态 的传热过程,本文基于热渗联合作用下的传热模型, 采用整场离散、整体求解方法求得地下埋管换热器、 管内流体及周围土壤的数值解,深入分析了渗流对 地下埋管换热器传热的影响。经过分析可知,对于 夏季蓄冷、释冷的运行方式,地下水流动增加了系统 冷损失,对蓄冷不利;而对于冬季工况,渗流增强了 地下埋管换热器周围土壤的恢复能力,对地下埋管 的吸热十分有利,因此传统的地下埋管热泵系统宜 埋在有渗流的土壤中。而土壤蓄冷与土壤耦合热泵 系统主要适合应用在空调负荷为主、采暖负荷为辅 的地区,因此适合于在地下水流速较小或无渗流的 土壤中应用,并且可以根据建筑物的实际热负荷在 冬夏选择不同的连管方式。 参考文献 〔1〕将表良,主编·供热工程(第一版)〔M〕·北京:中国 建筑工业出版社,2005,1· 〔2〕张健,主编·建筑给水排水工程(第一版)〔M〕·北 京:中国建筑工业出版社,2000,12· 〔3〕徐伟,邹瑜,主编·供热系统温控与热计量技术〔M〕· 北京:中国计划出版社,2000· 〔4〕严煦世,赵洪宾,主编·给水管网理论和计算〔M〕· 北京:中国建筑工业出版社,1986· 〔5〕方立德·新型供热计量控制系统动态特性研究〔J〕· 河北工业大学学报,2005,1· 〔6〕刘欧子,胡欲立,刘训谦·套室内气流的三维数值模 拟〔J〕·空气动力学学报,2002,3· 〔7〕张志强,周志刚,等主编·室内空气自然对流换热的 数值模拟研究及暖通空调,V2004· 〔9〕贺平,孙刚·供热工程(第三版)〔M〕·北京:中国建 筑工业出版社,1993· 〔10〕钱以明·高层建筑空调与节能〔M〕·上海:同济大 学出版社,1990· 〔11〕王昭俊,张志强,廉乐明·热舒适评价指标及冬季 室内计算温度探讨〔J〕·暖通空调,2002,2· |
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