土壤源热泵双U型与单U型埋管换热器运行性能比较

点击：1750 日期：[ 2014-04-26 22:06:15 ]

土壤源热泵双Ｕ型与单Ｕ型埋管换热器运行性能比较包强（中南大学能源科学与工程学院　　湖南长沙　　４１００８３）摘要：本文利用有限差分法分别建立了土壤源热泵单Ｕ型和双Ｕ型埋管换热器三维非稳态模型，重点研究比较了二者在运行过程中换热性能以及土壤温度的变化情况。结果表明：双Ｕ型埋管换热器的换热性能要远远优于单Ｕ型埋管换热器，同时，二者在运行过程中的热扩散半径相差很小，采用双Ｕ型管换热器的土壤耦合热泵系统并不需要更大的占地面积。关键词：土壤源热泵　　埋管换热器　　双Ｕ型管　　单Ｕ型管中图分类号：Ｓ１５文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－３７９１（２００７）０５（ｃ）－００３６－０２近年来，以节能和环保为主要优点的地源热泵系统引起了社会各界的关注，并且在商业、民用建筑中开始大量的应用［１］。地源热泵系统通常以土壤、地下水和地表水作为热源，以土壤为热源的热泵系统称之为土壤源热泵。土壤源热泵是目前应用最为广泛的一种形式，而以地下水和地表水作为热源的热泵系统由于受到地理条件以及国家法律法规（有些地区国家不允许开采地下水）的限制而较少应用。埋管换热器是土壤源热泵系统的核心部件，其设计的合理性关系到整个系统能否高效运行。土壤源热泵系统埋管换热器的种类很多，其中以单Ｕ型管最为常见。目前，绝大多数的土壤源热泵系统采用的都是单Ｕ型管换热器。近年来，双Ｕ型管以其钻井利用率高和换热性能好等优点而开始广泛应用。１　研究现状及进展国内外目前有关双Ｕ型管的研究多集中在实验研究方面，Ｃｅｎｋ　Ｙａｖｕｚｔｕｒｋ和ＡｎｄｒｅｗＤ．Ｃｈｉａｓｓｏｎ通过理论研究比较了单Ｕ型管、双Ｕ型管和套管的换热性能。结果表明双Ｕ型管的换热性能优于单Ｕ型管，能够大幅度减少所需要的钻井总长度，尽管双Ｕ型管的造价要高于单Ｕ型管，但如果以２０年为周期计算，双Ｕ型管的总费用（初投资和运行费用）比单Ｕ型管少１０％。李新国针对不同方式地下埋管换热器建立实验系统，分别对单Ｕ型管和双Ｕ型管换热器进行夏季排热和冬季取热实验。结果表明，无论是排热工况还是取热工况，单Ｕ型管的单位管长换热量比双Ｕ型管高，单单位井深换热量比双Ｕ型管低。王晓涛、唐志伟和马重芳针对单Ｕ型管、双Ｕ型管换热器等几种不同形式的埋管换热器进行了换热性能的实验，结果表明采用双Ｕ型管换热器相比于单Ｕ型管换热器可以提高单位换热量近１倍，但吸热稳定性下降。可见，对土壤源热泵单Ｕ型管与双Ｕ型管换热器的研究多采用实验手段，而且主要集中在二者换热性能的比较。相同工况下（换热器进水温度相同），单Ｕ型管换热器与双Ｕ型管的对岩土层的排热量或吸热量是不同的，因此运行过程中岩土层的温度变化也是不一样的。针对这方面的研究目前还不多见。本文利用有限元法建立单Ｕ型管和双Ｕ型管换热器三维模型，通过数值计算对二者展开重在对比的研究。２　数值方法２．１　物理模型钻井的深度为５０米，钻井直径为１２厘米，Ｕ型管支管间距为７０毫米，管材为高密度聚乙烯管（ＰＥ），其导热率为０．４５Ｗ／ｍ．Ｋ。工质为水，设计流速为０．５ｍ／ｓ。由于Ｕ型管两支管不同轴，钻井部分只能采用非结构化网格；钻井以外采用结构化网格，靠近钻井壁的地方网格取密一些，远离钻井壁的地方网格取稀一点，这样既能够保证精度又能够尽可能减少网格数以加快计算速度。钻井换热器在岩土层中的换热是一个通过多层介质的非稳态导热过程，进入Ｕ型管的流体首先与管壁进行对流换热，然后热量通过管壁、回填材料、土壤层层传导，最后散失在土壤中。实际的换热过程是非常复杂的，因为热量在回填材料、土壤中的导热涉及到多孔介质导热和水分迁移问题，在某些地区地下水的流动对换热也有很大影响。为了方便数值求解，作以下简化与假设：（１）不考虑管内流体横向的热量传递，认为流体在横截面上温度一致；（２）土壤及流体的热物性参数保持不变；（３）型管两管间距沿轴向等距；（４）考虑地下水流动对换热器的影响；（５）与钻井之间距离足够大，没有热干扰。２．２　数学模型２．２．１　控制方程模型的建立考虑两方面：管内流体的流动和固体介质（包括管壁、回填材料、土壤）中的导热过程。式中：ｔｆ为流体的温度（℃），ｔｐ为管壁温度（℃），ｔｂ为回填材料温度（℃），ｔｓ为土壤温度（℃）；ｕ为流速（ｍ／ｓ）；ρ为流体密度（ｋｇ／ｍ３）；ｃｆ为流体的比热容（ＫＪ／（Ｋｇ．Ｋ）；ｈ为流体与管壁的对流换热系数（Ｗ／（ｍ２．Ｋ））；ｒ为管内径（ｍ）；ａｐ为管壁导温系数（ｍ２／ｓ），ａｂ为回填材料导温系数（ｍ２／ｓ），ａｓ为土壤的导温系数（ｍ２／ｓ）；ｔ为计算时间（ｓ）。２．２．２　边界条件与初始条件实际过程中土壤的温度是随时间和深度变化的，但这种变化仅限于地表面浅层土壤，地表面５米以下的土壤温度基本上是恒定的，约等于当地的年平均气温，本文取整个土壤的初始温度为１５℃。计算区域的远边界为５米（可以保证系统运行３个月），远边界的土壤温度为１５ ℃。２．３　求解数学模型的控制方程是一组偏微分方程，如果自行编写软件进行计算将会耗费大量的时间和精力。本文采用计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ求解。求解思想：（１）流体部分采用Ｃ语言编写用户自定义函数（ＵＤＦ），嵌入Ｆｌｕｅｎｔ进行计算。（２）管壁、回填材料、土壤中的导热采用Ｆｌｕｅｎｔ自带的导热模型计算。３　结果分析与讨论３．１　出口水温比较从埋管换热器出来的冷却水借助循环水泵的作用汇集到集水器，然后送至冷凝器处与之进行热量交换，随后温度升高后的冷却水经分水器后再次进入各个钻井，与岩土交换热量。所以，Ｕ型管换热器的出口水温是系统运行过程中最为重要的参数，直接影响着土壤耦合热泵系统的运行性能。在热泵机组启动阶段，由于土壤的导热系数比较小，热量会堆积在埋管换热器周围，使Ｕ型管周围的土壤温度急剧上升，出口水温的变化趋势也比较大。一段时间之后，换热器与土壤之间的换热逐渐趋于稳定，热量沿着半径方向逐渐往外扩散，出口水温的变化也趋于平缓，系统进入稳定阶段。图１为单Ｕ型管换热器与双Ｕ型管换热器出口水温随时间的变化。如图所示，二者在启动阶段出口水温的变化规律基本是一致的，从系统开机到运行稳定需要的时间大致相同，约为１０个小时。但是双Ｕ型管换热器出口水温相比同一时刻单Ｕ型管换热器的出口水温高出大约１℃。运行到第２４小时，二者的出口水温分别为２９．３℃，３０．７℃（双Ｕ型管换热器实际上有两个出水管，但这两个出水管的出口水温相差很小，约为０．０１℃，为方便起见，在下文中不加说明的情况下取二者的平均值代表双Ｕ型管换热器的出口水温）；而且经过一段时间的运行之后，双Ｕ型管换热器的进出口水温温差可能小于５℃（第２４小时时刻，进出口水温温差为４．３℃），也就是说，如果从进出口水温温差的角度来衡量，单Ｕ型管换热器的性能要优于双Ｕ型管换热器的性能。造成这种现象的主要原因是：在进口水温相同的情况下，同样直径的钻井内，双Ｕ型管换热器布置了两组Ｕ型管，而单Ｕ型管换热器仅为一组。因此，从散热的效率而言，双Ｕ型管换热器弱于单Ｕ型管换热器；而且，在如此狭小的空间中放置两组Ｕ型管，双Ｕ型管换热器各支管之间的热短路现象也要比单Ｕ型管换热器严重的多。３．２　换热性能比较双Ｕ型管换热器的出口水温相比同一时刻单Ｕ型管换热器的出口水温要高。但是，在同一个钻井中，双Ｕ型管换热器设置有两组Ｕ型管。所以，单从出口水温的变化来衡量两种换热器的换热性能是不够全面的，还应该从换热率的角度来考察。图２为单Ｕ型管换热器、双Ｕ型管换热器单位井深换热率随时间的变化。由图可见，整个运行过程中双Ｕ型管换热器的单位井深换热率都比单Ｕ型管换热器的单位井深换热率要大，运行到第５天时分别为７１．３Ｗ／ｍ，５４．７　Ｗ／ｍ。经计算，从系统开始运行到第５天，单Ｕ型管换热器单位井深换热率的平均值为６８．６　Ｗ／ｍ，双Ｕ型管换热器单位井深换热率的平均值为９６．２　Ｗ／ｍ。以一个设计冷负荷为１００ｋｗ的土壤耦合热泵系统为例（钻井深度为５０米），如果采用单Ｕ型管换热器，整个土壤耦合热泵系统需要钻井３０口；如果采用双Ｕ型管换热器，需要钻井２１口。可见，尽管双Ｕ型管换热器的进出口水温温差小于单Ｕ型管换热器的进出口水温温差，但在同一口钻井内，双Ｕ型管换热器放置了两组Ｕ型管，其钻井利用率高于单Ｕ型管换热器。因此，从换热性能的角度来看，双Ｕ型管换热器的换热性能要远远优于单Ｕ型管换热器，可以大幅度的减少系统初投资。３．３　土壤温度变化比较大多数的研究文献认为，Ｕ型管换热器连续运行３个月左右其热扩散半径为２．５米－３米，因此推荐井与井之间的距离为５－６米左右，这是针对单Ｕ型管换热器而言。由上节分析可知，双Ｕ型管换热器的换热性能优于单Ｕ型管换热器，这就意味着同样时间段内双Ｕ型管换热器排入土壤的热量多于单Ｕ型管换热器。两种不同的换热器在运行过程中对土壤的的影响肯定是不一样的。双Ｕ型管换热器运行过程中土壤温度的变化规律是怎样的？与单Ｕ型管换热器相比是否变化情况更为剧烈，这都需要深入的研究，以给工程实际提供参考。图３为同一钻井分别单Ｕ型管换热器与双Ｕ型管换热器其土壤温度随时间的变化（监测点设置在距钻井中心０．１米处，深度为２５米）。如图３和４所示，无论是连续运行还是间歇运行，双Ｕ型管换热器相比单Ｕ型管换热器而言，其运行过程中周围土壤的温度变化都要更为剧烈。连续运行到第５天，监测点的温度分别为２７．１℃，２４．６℃，整个运行过程中二者的差值在同一时刻约为２．５℃；如果换热器采用间歇运行的方式，运行到第五天，监测点的温度分别为２１．１℃，１９．２℃，二者之间的差值也有１．９℃。那么，为了防止井与井之间的热干扰，土壤耦合热泵系统如果采用双Ｕ型管换热器，钻井之间的距离是否应该比采用单Ｕ型管换热器设计值要大？采用双Ｕ型管换热器的土壤耦合热泵系统是否需要更大的占地面积？２．４　热扩散半径在数值求解过程中，设置多个监测点（距离钻井中心一定距离，深度为２５米）。初始条件下整个计算区域的温度是恒定的，如果监测点的温度升高了０．１℃，则认为热量传递到了该监测点，此监测点距离钻井中心的距离即为该时刻的热扩散半径。图５为单、双Ｕ型管换热器长时间连续运行下（为期二个月）热扩散半径随时间的变化情况。运行到第３０天热扩散半径为分别为３米和３．１米，运行到第６０天热扩散半径分别为达到３．９２米和４．０５。可见，单、双Ｕ型管换热器长时间连续运行下其热扩散半径虽然有差别，但这种差别是比较小的（仅仅在０．１　ｍ左右）。原因分析如下：由于岩土的导热率比较小（１．７～３．４），埋管换热器在运行过程中大量的热量首先积聚在钻井周围无法迅速扩散出去，使此处的土壤温度急剧上升，与远处的土壤产生一定的温差，热量开始向外扩散。而热量源源不断的排入钻井，热量总是先聚集在钻井周围附近然后才开始向远处传导，因此，钻井周围的土壤变化更为剧烈，离钻井越远，土壤的温度变化越为缓慢。所以，尽管排入土壤的热量不同，单、双Ｕ型管换热器长时间连续运行下其热扩散半径却相差非常小。可见，土壤源热泵系统如果采用双Ｕ型管换热器，钻井之间的设计距离可以和采用单Ｕ型管换热器时钻井间设计距离一样，采用双Ｕ型管换热器的土壤耦合热泵系统不需要更大的占地面积。３　结论（１）二者在启动阶段出口水温的变化规律基本是一致的，但是双Ｕ型管换热器出口水温高于同一时刻单Ｕ型管换热器的出口水温。如果从进出口水温温差的角度来衡量，单Ｕ型管换热器的性能要优于双Ｕ型管换热器的性能。（２）从换热性能的角度来看，双Ｕ型管换热器的换热性能要远远优于单Ｕ型管换热器，钻井利用率高于单Ｕ型管换热器，可以大幅度的减少系统初投资。（３）单Ｕ型埋管换热器与双Ｕ型埋管换热器在运行过程中的热扩散半径相差很小。土壤源热泵系统如果采用双Ｕ型管换热器，钻井之间的设计距离可以和采用单Ｕ型管换热器时钻井间设计距离一样，采用双Ｕ型管换热器的土壤耦合热泵系统不需要更大的占地面积。参考文献［１］　王晓涛，唐志伟，马重芳．三种垂直埋管土壤热交换器冬季供暖的实验对比，工程热物理学报，２００６，２７（增刊２）．

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