朱稅平，趙蕾，楊柳，王振宇

（1西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055；3西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安 710055；4同度可再生能源應(yīng)用研究中心，江蘇 昆山 215243）

樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器傳熱特性的數(shù)值仿真

朱稅平1,2，趙蕾1,2，楊柳3，王振宇4

（1西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055；3西安建筑科技大學(xué)建筑學(xué)院，陜西 西安 710055；4同度可再生能源應(yīng)用研究中心，江蘇 昆山 215243）

摸清樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器的傳熱特性是進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、確保其高效運(yùn)行的前提。建立了包含回水立管在內(nèi)的樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器三維動(dòng)態(tài)傳熱的仿真模型，利用其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的仿真復(fù)現(xiàn)及實(shí)心圓柱源熱源模型解析解的對(duì)比驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。對(duì)樁身和土壤溫度的模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，給出了沿管程、樁基內(nèi)部以及周圍土壤的溫度分布。對(duì)連續(xù)和3種間歇運(yùn)行模式下樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器的運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真，揭示了其出口水溫和單位管長(zhǎng)放熱量等性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律以及樁壁和周圍土壤溫度沿樁深和樁徑方向的分布特征，提出了樁壁溫度恢復(fù)百分比指標(biāo)，定量評(píng)價(jià)了其在間歇運(yùn)行模式下的溫度恢復(fù)程度。表明了運(yùn)停比越小，樁壁溫度恢復(fù)程度越顯著，但隨著間歇運(yùn)行周期的增加，每一間歇期的溫度恢復(fù)程度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

計(jì)算流體力學(xué)；熱傳導(dǎo)；傳熱；樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；數(shù)值模擬；間歇運(yùn)行

引 言

地源熱泵系統(tǒng)因具有能耗低、換熱性能好、環(huán)保等特點(diǎn)[1-3]而得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用。與傳統(tǒng)的鉆孔埋管換熱器相比，樁基埋管換熱器埋設(shè)于建筑物的混凝土樁基中，通過混凝土與周圍土壤緊密接觸，接觸熱阻更小，換熱效率更高，可節(jié)省鉆孔費(fèi)用[4-5]。樁基埋管換熱器有U型、W型、螺旋型埋管等形式[6-9]。在同一樁基內(nèi)，螺旋型埋管比U型和W型埋管的換熱面積更大，而且可減少管道連接的復(fù)雜性，有利于避免冷熱支管溫差所導(dǎo)致的兩支管間的熱交換，即熱短路[10-11]。它作為一種全新的埋管換熱器形式而受到關(guān)注。地埋管換熱器設(shè)計(jì)是否合理決定著地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性[12-13]。例如 Cane等[14]指出實(shí)際工程中，由于缺乏可靠的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)，北美地區(qū)地埋管換熱器管長(zhǎng)均比實(shí)際偏大10%～30%。目前，對(duì)樁基螺旋型埋管換熱器的研究主要集中在傳熱模型上，如，劉俊紅等[15-17]提出了“實(shí)心”圓柱源模型，方肇洪等[18-19]建立了考慮螺距影響的線圈熱源模型，Man等[20]推導(dǎo)得出了使得模型更加接近實(shí)際情況的螺旋線熱源模型。然而，上述解析解模型以定熱流條件為前提，并忽略了回填料與土壤熱物性的差別以及樁基中存在回水立管的影響。此外，部分學(xué)者對(duì)螺旋埋管通過數(shù)值解展開了研究。王蕊等[21]提出了二維軸對(duì)稱傳熱模型，吳華劍[22]建立了樁基三螺旋埋管換熱器數(shù)值模型，Zhang等[23-25]利用ANSYS CFX軟件對(duì)單螺旋型埋管進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，Bezyan等[26]利用FLUENT軟件對(duì)回水管綁扎在鋼筋籠外部形式的樁基螺旋埋管換熱器傳熱模型求解?？傊?，上述數(shù)值解模型中大多數(shù)因回水管的存在會(huì)使網(wǎng)格劃分的難度增加、網(wǎng)格數(shù)量增大而被忽略，即使是包括回水管的樁基螺旋埋管研究中，也很少是工程實(shí)際中回水管綁扎在鋼筋籠內(nèi)部的形式。此外，根據(jù)熱源疊加原理[27-28]，樁基和土壤溫度場(chǎng)對(duì)并聯(lián)雙螺旋埋管換熱器的響應(yīng)由各個(gè)單螺旋埋管內(nèi)的水與混凝土、混凝土與土壤間的傳熱共同決定，其傳熱模型與樁基單螺旋型埋管換熱器有明顯的區(qū)別。這就導(dǎo)致對(duì)實(shí)際工程中應(yīng)用的樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器傳熱模型研究的迫切需求。因此，本文針對(duì)樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器中的流動(dòng)與三維傳熱問題建立了仿真數(shù)學(xué)模型，通過工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及與實(shí)心圓柱源模型解析解的對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值解的可靠性之后，對(duì)樁身及周圍土壤的溫度分布及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了分析；然后，結(jié)合建筑空調(diào)工程負(fù)荷特點(diǎn)，選定3種運(yùn)停比，研究了各種間歇運(yùn)行模式下樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器的傳熱性能以及沿樁深和半徑方向不同位置處土壤溫度的變化規(guī)律，采用溫度恢復(fù)百分比為指標(biāo)對(duì)樁基的溫度恢復(fù)特性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

1 物理問題及數(shù)學(xué)模型

1.1 物理問題和控制方程組

樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器在土壤中的傳熱問題涉及管內(nèi)水流與 PE管壁的對(duì)流換熱以及樁基內(nèi)鋼筋混凝土和土壤中的導(dǎo)熱過程。假定樁基內(nèi)混凝土及土壤均為固體，其中的傳熱可視為純導(dǎo)熱[29]。管內(nèi)的對(duì)流換熱以及管外導(dǎo)熱問題用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程以及導(dǎo)熱微分方程來描述，其通式統(tǒng)一描述可表示為[30]

式中，ρ為水或固體的密度，kg·m-3；U 為水流速，m·s-1；φ為通用變量，可以代表u、v、w、T等未知變量；Sφ為廣義源項(xiàng)；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1。選用Realizable k-ε紊流模型對(duì)于管內(nèi)的紊流換熱進(jìn)行求解。

1.2 幾何模型以及網(wǎng)格劃分

本研究的樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器，樁基深17 m，樁徑為0.65 m；螺旋管埋深為16 m，每一根螺旋管螺距0.6 m、長(zhǎng)62 m、管徑25 mm，兩根螺旋管交錯(cuò)盤旋；兩進(jìn)、回水管的中心間距分別為400和300 mm。選取半徑3 m、高度20 m的圓柱體為計(jì)算區(qū)域，示意如圖1所示。

利用 Gambit軟件建立樁基及并聯(lián)雙螺旋埋管的幾何模型，分別對(duì)螺旋管內(nèi)、樁基內(nèi)混凝土及樁外土壤區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化六面體/契形網(wǎng)格（Hex/Wedge）中cooper類型和非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格（Tet Primitive）進(jìn)行劃分，采用Size function控制網(wǎng)格由密到疏變化，保證網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)達(dá)482.4萬(wàn)。對(duì)控制方程離散化之后采用低 Reynolds數(shù)法進(jìn)行管內(nèi)紊流換熱和管外導(dǎo)熱問題的數(shù)值計(jì)算。

圖1 數(shù)值仿真所涉及的樁基并聯(lián)螺旋型埋管及其周圍土壤計(jì)算區(qū)域的幾何尺寸Fig.1 Simulation domain including double spiral pipes buried in parallel in pile-foundation with soil surrounding

圖2 3-D仿真區(qū)域及樁基內(nèi)部網(wǎng)格劃分情況Fig. 2 Grids generated in calculation domain

1.3 邊界條件設(shè)置

三維數(shù)值仿真時(shí)邊界條件設(shè)定情況見表1。

表1 邊界條件的設(shè)定Table 1 Boundary conditions set for simulation

2 數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證

2.1 與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

為了驗(yàn)證數(shù)值解的準(zhǔn)確性，對(duì)江蘇某工程現(xiàn)場(chǎng)一17 m深的樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管在冬季排熱工況下連續(xù)運(yùn)行20 h的傳熱實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值仿真。計(jì)算區(qū)域中各介質(zhì)的相關(guān)物性參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值設(shè)定，見表 2。螺旋管進(jìn)口的水流速度根據(jù)實(shí)測(cè)流量折算值設(shè)定，進(jìn)口水溫依照實(shí)測(cè)值的逐時(shí)擬合曲線來設(shè)定。土壤的初始溫度依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)為 18.74℃。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖3所示。

表2 計(jì)算區(qū)域中各物質(zhì)的物性參數(shù)設(shè)定Table 2 Physical properties of materials within domain

圖3 出口水溫實(shí)測(cè)值與模擬值的比較Fig.3 Comparison of measured and simulated inlet and outlet water temperature

圖 3表明，進(jìn)、出口水溫差約為 3.7℃；最初0.5 h螺旋管出口水溫模擬值與實(shí)測(cè)值的偏差是2.06℃，第16小時(shí)偏差僅為0.38℃，相對(duì)誤差從11.1%降至1.4%；在第16.15小時(shí)之后，由于現(xiàn)場(chǎng)電壓不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)被迫中止。但所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的對(duì)比可以表明該仿真模型解的可靠性。

2.2 與解析計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

樁基斷面尺寸通常遠(yuǎn)大于鉆孔，樁體在地下?lián)Q熱器的傳熱過程中會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響，因而選用適合于樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器的實(shí)心圓柱熱源模型及其解析解[11-13]對(duì)樁基埋管換熱器的傳熱過程進(jìn)行了求解，求解過程中的土壤熱物性參數(shù)取值參照表2。選取第20小時(shí)時(shí)刻8 m深處水平截面的樁土溫度的解析解與數(shù)值仿真解進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 樁土溫度解析解與數(shù)值解的對(duì)比Fig.4 Comparison of analytical solution and numerical solution to pile soil temperature

圖4表明，數(shù)值解與解析解在樁內(nèi)偏差較大，例如X=0.1 m處相對(duì)誤差達(dá)到14%，在X=0.5 m處相對(duì)誤差已降到 5%以內(nèi)，且在樁心、樁壁處溫度的數(shù)值解較解析解小。這是因?yàn)闃锻翜囟葓?chǎng)的數(shù)值求解過程中，對(duì)樁內(nèi)回填混凝土與土壤的熱物性參數(shù)加以區(qū)分，且考慮了螺距及回水管的影響。距樁越遠(yuǎn)，土壤溫度的數(shù)值解和解析解越接近，在大約X=0.8 m處之后土壤均維持在初始值溫度。這表明，數(shù)值模型能更準(zhǔn)確地揭示樁基內(nèi)部螺旋埋管換熱所引起的溫度場(chǎng)的響應(yīng)和分布。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 樁身的溫度場(chǎng)分布

圖5 第20小時(shí)樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管計(jì)算區(qū)域內(nèi)溫度分布Fig.5 Simulated temperature distributions at 20th hour in domain with double spiral pipes in pile-foundation

圖6 第20小時(shí)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的不同深度的水平截面以及沿樁深方向樁心、樁周和計(jì)算區(qū)域外表面的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of different cross-sections along pile axis, pile periphery and domain boundary over depth at 20th hour

圖5給出了第20小時(shí)時(shí)X=0 m及Y=8 m截面上溫度的數(shù)值模擬結(jié)果。在系統(tǒng)排熱工況下流體溫度隨著螺旋管長(zhǎng)度的增加逐漸降低，入口溫度高于出口溫度。

模擬得到的第 20小時(shí)時(shí)刻沿不同樁深的水平截面上的溫度分布以及樁心、樁周和土壤外表面溫度沿樁深的分布如圖6所示。由圖可見，樁基內(nèi)（水平方向-0.325～+0.325 m之間）在Y=4、8、12 m處樁心的溫度最低，而在Y=16 m則相反（溫度最高）。這是由于螺旋埋管內(nèi)的水溫沿著流動(dòng)方向而降低[圖5(a)]，Y=16 m處為樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器底部，處在與混凝土接觸的過渡面，因而溫度隨著與埋管距離的增加而降低，且樁基溫度高于周圍土壤溫度。因?yàn)闃痘w積有限，熱容量有限，而土壤空間理論上可視為無(wú)限大，所以沿樁深方向土壤外壁的溫度保持在291.89 K。在深度為1～16 m范圍內(nèi)樁心及樁壁溫度沿樁深小幅度下降，在樁深17 m之后趨于定值291.89 K。沿樁深方向0～1、16～17 m內(nèi)，樁心及樁壁溫度變化顯著，分別高達(dá)2.05、6.25℃以及 10.22、4.79℃，這是由流體與樁基及土壤之間的高溫差所導(dǎo)致的。

3.2 沿管程的溫度分布

為清楚地反映沿管程和回水立管的溫度分布，對(duì) X：Y：Z 取 1：16：1 縮放比例，第 20 小時(shí)時(shí)，沿管程的溫度分布如圖7所示。

圖7 第20小時(shí)沿管程和回水立管的溫度分布Fig. 7 Temperature distributions along spiral pipes and the return riser at 20th hour

圖8 連續(xù)和3間歇運(yùn)行模式下5 d內(nèi)單位管長(zhǎng)換熱量及出口水溫的動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.8 Dynamic curves of qland toutin 5 d operations under continuous and three kinds of intermittent modes

雖然回水管位于相互交錯(cuò)盤旋的螺旋埋管內(nèi)部，不可避免地受到周圍埋管散熱的影響，但回水管溫度總體仍沿回流方向溫度逐漸降低?；厮⒐艿牡撞颗c頂部之間存在大約 0.5℃的溫升，為流體進(jìn)、出口總溫變的 13.5%?？梢?，如忽略回水管的存在會(huì)造成一定的偏差。

4 間歇運(yùn)行的傳熱與溫度恢復(fù)特性

4.1 間歇運(yùn)行模式的影響

為了考察樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器的間歇運(yùn)行特性，取一天之中運(yùn)停時(shí)間比分別為 2：1、1：1與1：2的間歇運(yùn)行模式，對(duì)所模擬的樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器采用3種間歇模式和連續(xù)模式運(yùn)行5 d的傳熱狀況進(jìn)行模擬，模擬時(shí)流體的進(jìn)口溫度及流速分別設(shè)為35℃和0.3 m·s-1，其他計(jì)算參數(shù)使用表1、表2的數(shù)據(jù)。

圖8(a)～(d)給出了連續(xù)運(yùn)行模式和3種間歇運(yùn)行模式下單位管長(zhǎng)換熱量（即ql）和出口水溫（tout）隨時(shí)間的變化曲線。圖8顯示，連續(xù)運(yùn)行模式下ql逐時(shí)下降，下降幅度逐漸減??；3種間歇運(yùn)行模式下，ql總體趨勢(shì)也是逐時(shí)下降，但每次間歇后，ql比上一運(yùn)行期結(jié)束時(shí)有明顯提高，但仍比其最初運(yùn)行時(shí)低。這是因?yàn)橥寥赖臏囟入m然得到了一定程度的恢復(fù)，但并未恢復(fù)到初始溫度。運(yùn)行 1周后，4種運(yùn)行模式所對(duì)應(yīng)的ql分別為20.01、21.85、26.62和31.73 W·m-1，3種間歇模式下ql分別比連續(xù)運(yùn)行模式下高 9.2%、33.03%和58.57%。連續(xù)運(yùn)行模式下tout逐時(shí)上升，上升幅度逐漸減小，32 h之后基本趨于穩(wěn)定；3種間歇運(yùn)行模式下，tout總體趨勢(shì)也是逐時(shí)逐漸上升，但每次間歇后，tout比上個(gè)運(yùn)行期結(jié)束時(shí)有明顯下降，但仍比其最初開始時(shí)出口水溫高。運(yùn)行1周后，4種運(yùn)行模式所對(duì)應(yīng)的tout分別為32.88、32.69、32.37和31.86℃。

4.2 沿樁深方向樁壁溫度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

圖9 連續(xù)和3種間歇運(yùn)行模式下沿樁深方向不同位置處樁壁的溫度動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.9 Dynamic curves of temperature along pile periphery at different depths under continuous and 3 kinds of intermittent operational modes

圖9給出了連續(xù)和3種間歇運(yùn)行模式下沿樁深不同位置處的樁壁動(dòng)態(tài)溫度曲線。深度為0.5、16 m處樁壁的溫度明顯不同于2～14 m各深度處的樁壁溫度。這是由于0.5、16 m處樁壁溫度受土壤頂面及底面?zhèn)鳠岬挠绊戄^大的緣故；而深度為2～14 m之間的樁壁溫度主要由埋管的散熱強(qiáng)度決定。

定義深度為2～14 m之間樁壁溫度平均值為樁壁的平均溫度，在連續(xù)運(yùn)行5 d后，樁壁溫度上升最顯著，平均溫度最高達(dá)到27.53℃，比土壤原始溫度升高8.79℃。這是因?yàn)檫B續(xù)運(yùn)行埋管的換熱量最大。在3種不同間歇運(yùn)行模式下樁壁溫度呈波浪狀上升，共出現(xiàn)5次峰值和5次谷值。運(yùn)停時(shí)間比分別為 2：1、1：1 與 1：2 的情況下，5 d 之后樁壁的平均溫度最高分別達(dá)到了26.16、25.08和23.81℃，溫升分別為7.42、6.34和5.06℃。這表明樁基周圍土壤溫度變化與樁基埋管的停運(yùn)比緊密相關(guān)，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，溫度變化越大；停止運(yùn)行期間，樁壁的平均溫度緩慢下降，得到一定程度的恢復(fù)。

4.3 沿徑向土壤溫度的時(shí)空分布規(guī)律

圖10給出了不同運(yùn)行模式下8 m深處溫度沿徑向的動(dòng)態(tài)變化曲線，r表示與樁基軸心的距離?？梢?，在連續(xù)運(yùn)行模式下，各位置處的溫度均呈單調(diào)上升趨勢(shì)，不同測(cè)點(diǎn)的上升幅度不同，但上升幅度均逐時(shí)減小。在120 h時(shí)刻，r為0.25～3 m的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度由近及遠(yuǎn)依次地升高了 12.12、8.91、6.46、3.92、1.75、1.07、0.72、0.13及 0.004℃。這是因?yàn)殡x螺旋埋管越近，溫度升高越快，且幅度越大。因混凝土的熱導(dǎo)率大于土壤的，故在樁內(nèi)外測(cè)點(diǎn)的溫升幅度相差較大。在3種間歇運(yùn)行模式下，樁內(nèi)、樁壁及土壤沿徑向的的溫度均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。其中，對(duì)于r＞0.75 m的各點(diǎn)處的溫度波幅幾乎不因間歇運(yùn)行模式不同而異。在間歇期間，由于埋管向土壤釋放的熱量逐漸減小以至為 0，所以土壤溫度在間歇期內(nèi)下降，得到一定程度的恢復(fù)。經(jīng)過一周運(yùn)行后，r=0.75 m處連續(xù)運(yùn)行模式、運(yùn)停比分別為 2：1、1：1與 1：2的 3種間歇運(yùn)行模式所對(duì)應(yīng)溫度分別為 22.65、22.21、21.82和21.25℃。

圖10 連續(xù)和3種間歇運(yùn)行模式下Y=8 m處沿徑向不同位置處的溫度動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.10 Dynamic curves of temperature along radius on Y=8 m under various modes under continuous and 3 kinds of intermittent operation mode

4.4 樁壁溫度的恢復(fù)特性

在樁基埋管換熱器間歇運(yùn)行模式中，樁壁溫度恢復(fù)的快慢及其程度對(duì)交替運(yùn)行時(shí)樁基埋管換熱器的換熱性能起著重要的作用。因此，分別定義樁壁溫度變化速度ζ1和樁壁溫度恢復(fù)百分比ζ2來反映樁壁溫度的恢復(fù)快慢和程度。

式中，Ti+1、Ti分別為埋管間歇第i+1和第i時(shí)刻樁壁的平均溫度；τi+1、τi分別為埋管間歇第i+1和第i時(shí)刻；T0為土壤的原始溫度；Tmax為某間歇階段樁壁溫度的最大值，T為 Tmax之后任意時(shí)刻的溫度。

運(yùn)停比為1：1的情況下，樁壁溫度變化速度和恢復(fù)百分比分別如圖11(a)、(b)所示。圖11(a)顯示，樁壁溫度在最初停止運(yùn)行的1～2 h內(nèi)仍呈上升趨勢(shì)，且上升速度逐漸減小。這是由于埋管換熱器中滯留的水溫35℃遠(yuǎn)高于土壤的溫度，且土壤存在一定的蓄熱能力。但是，樁壁溫度大約上升0.3℃后才開始下降，且最初下降速度較快而后逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。圖11(b)顯示，間歇時(shí)段內(nèi)樁壁溫度的恢復(fù)百分比與時(shí)間呈正比，而隨著天數(shù)的增加，溫度恢復(fù)百分比逐漸降低。比如，運(yùn)停比為1：1時(shí)第1天的樁壁溫度恢復(fù)百分比為21.4%，而第3天已降為18.53%。

圖11 運(yùn)停比1：1的間歇模式下樁壁溫度的ζ1和ζ2動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.11 Dynamic curves of ζ1and ζ2at pile wall under 1：1 intermittent mode

5 結(jié) 論

建立了包含回水立管在內(nèi)的樁基并聯(lián)雙螺旋型埋管換熱器傳熱問題的三維動(dòng)態(tài)仿真模型，利用對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)值仿真復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。排熱工況下的數(shù)值仿真結(jié)果表明了沿樁深方向0～1及16～17 m內(nèi)，樁心及樁壁溫度變化明顯，土壤表面及底面的溫度對(duì)近端樁壁溫度的影響不可忽略，而在2～16 m范圍內(nèi)，其溫度沿樁深方向逐漸降低，主要受樁基散熱強(qiáng)度的影響?；炷梁屯寥罒釋?dǎo)率的差異導(dǎo)致同一深度處樁內(nèi)、外各測(cè)點(diǎn)的溫升幅度相差較大，且隨與螺旋埋管的距離增大而減小。

無(wú)論連續(xù)還是間歇運(yùn)行模式下，單位管長(zhǎng)換熱量總體均呈逐漸下降趨勢(shì)，下降的幅度逐漸減小，但間歇運(yùn)行模式下，土壤和樁基的溫度在每次間歇后得到了一定程度的恢復(fù)，換熱量也有所回升。在埋管停止運(yùn)行的最初1～2 h內(nèi)，樁壁溫度仍會(huì)上升，但上升速度減小，樁壁溫度大約上升0.3℃達(dá)到最大值后才開始下降。在每一個(gè)間歇周期內(nèi)，樁壁溫度恢復(fù)百分比與間歇時(shí)間呈正比，隨著天數(shù)的增加，溫度恢復(fù)百分比逐漸降低。

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Numerical studies on heat transfer characteristics of pile heat exchanger with double spiral pipes buried in parallel

ZHU Shuiping1,2, ZHAO Lei1,2, YANG Liu3, WANG Zhenyu4
(1School of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055,Shaanxi, China;2Key Laboratory of Environmental Engineering, Xi’an 710055, Shaanxi, China;3School of Architecture, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, Shaanxi, China;4Tong Du Renewable Energy Application Research Center, Kunshan 215243, Jiangsu, China)

It is critical to understand the heat transfer characteristics of pile heat exchanger (PHE) with double spiral pipes buried in parallel so that it can be designed feasibly and operated efficiently. Therefore, a 3-D dynamic simulation model as established to study the heat transfer processes of a pile heat exchanger in which double spiral pipes and the return risers were buried in parallel. And the numerical simulation results were validated by the data obtained in an in-situ test and analytical solution of the solid cylindrical heat source model. The temperature distributions along the pipes, in the pile body and soil surrounding are illustrated and analyzed. A continuous and three intermittent heat transfer processes of this PHE were simulated dynamically. Such parameters as the dynamic outlet water temperatures of the buried parallel double spiral pipes and the heat transfer rate per unit pipe length are revealed. The temperature variations at different locations on the pile wall and in the soil surrounding along the pile depth and in radial directions are analyzed. The index of pile wall temperature recovery percentage isproposed to quantify the temperature recovery degree under different intermittent operational modes. It is found that the smaller the on-off ratio, the more significantly the temperature recovery degree along the pile wall can be achieved. But the recovery degree in each intermittent period tends to decrease as the operational cyclic increases.

computational fluid dynamics; heat conduction; heat transfer; pile heat exchanger with double spiral pipes buried in parallel; experimental validation; numerical simulation; intermittent mode

date:2016-12-12.

Prof. ZHAO Lei, leizhao0308@ hotmail.com

supported by the National Key Technology Research and Development Program of China (2014BAJ01B01).

TK 521

A

0438—1157（2017）07—2730—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20161741

2016-12-12收到初稿，2017-04-06收到修改稿。

聯(lián)系人：趙蕾。

朱稅平（1991—），女，碩士研究生。

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAJ01B01）。