林林+陽堯+莊林學

摘 要：建立了二維水平地埋管換熱器數(shù)值模型，分析了地埋管流動介質流速、入口溫度、工作模式對地埋管換熱特性的影響。計算表明：提高流速和入口溫度有利于提高地埋管換熱器的熱流密度，然而較大的流速導致地埋管需用功率急劇增大；在循環(huán)操作模式下，地埋管換熱器在運行時具有更高的換熱效率。此外著重分析了土壤溫度的動態(tài)變化過程，地埋管埋深以上區(qū)域易受地表溫度影響，循環(huán)操作模式下，地埋管周圍土壤高溫區(qū)域更小。

關鍵詞：地源熱泵；水平埋管換熱器；動態(tài)換熱特性；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.220

能源與環(huán)境是當今人類生存與發(fā)展面臨的緊迫問題[1]，以石油、煤炭為代表的不可再生能源的急劇消耗并且造成了環(huán)境污染等問題。通常距離地表面深度6m～45m的土壤溫度大致保持恒溫，正是利用地下土壤溫度相對穩(wěn)定的特性，地源熱泵技術實現(xiàn)建筑環(huán)境與大地的能量交換，隨著節(jié)能綠色建筑理念日益融入城鎮(zhèn)化建設，該技術將會得到進一步的重視與發(fā)展。

地埋管換熱器為地源熱泵的重要部件，其換熱特性將直接決定地源熱泵的換熱效率。豎直地埋管換熱器換熱效率高，然而鉆井成本等前期費用高；水平地埋管通常埋深0.8m～2m，由于易受地表溫度的影響，換熱效率較低，但是投入成本小，因而綜合考慮換熱效率與投入，水平換熱器也是一種可行的解決方案。

目前，國內外對豎直地埋管換熱器研究較多，而對水平地埋管換熱器研究相對較少。Bhutta等人研究了適用于不同型式地埋管換熱器的數(shù)值計算方法，包括湍流模型、速度壓力耦合算法的選擇等，研究表明數(shù)值計算是地埋管設計和評估換熱特性的有效工具；Benazza等對水平地埋換熱器的換熱特性進行數(shù)值模擬，研究了土壤導熱系數(shù)和地埋管尺寸對換熱器換熱特性的影響；張銳[2]等研究了埋深對地源熱泵水平連接管夏季換熱性能的影響；Conged等人利用數(shù)值模擬手段研究了水平地埋管換熱器型式、埋深、管內流速等參數(shù)對換熱特性的影響；Inalli等人對水平地埋管換熱器進行實驗研究，得出地埋管埋深分別為1m和2m時，對應的COP值（制冷效率）為2.66和2.81。卿菁[3]等人對水平地埋管換熱器進行實驗研究，得出埋深為 2.2m 層的水平蛇形地埋管與土壤換熱的換熱性能遠遠優(yōu)于埋深為 1.8m 層的水平蛇形地埋管的結論.

以上的研究主要集中在幾何外形參數(shù)、物性參數(shù)對水平地埋管換熱器換熱特性的影響，而對換熱過程中，土壤溫度的動態(tài)變化研究較少。本文建立二維水平地埋管換熱器數(shù)值模擬，模擬夏季地埋管換熱器向土壤傳遞熱量的過程，研究了流動介質流速、入口溫度以及不同工作模式對換熱特性的影響規(guī)律，重點分析了換熱過程中，土壤溫度的動態(tài)變化。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型參數(shù)及計算網(wǎng)格

為了提高計算效率，本次數(shù)值模擬進行地埋管的二位數(shù)值模擬，水平地面管模型如圖1所示。地埋管直徑0.1m，長度100米，距離地面深度2.5米，計算域底部延伸到距離地面10米，忽略地面管的壁厚。對計算域采用結構化網(wǎng)格劃分，在地埋管內部以及周圍傳熱過程中溫度梯度較大，網(wǎng)格進行加密，距離地埋管較遠的區(qū)域溫度梯度變化較小，網(wǎng)格劃分比較稀疏，總網(wǎng)格數(shù)16萬。

1.2 初邊值條件

水平地埋管由于埋深較淺，易受到地表溫度的影響，進而淺層土壤的溫度會隨著空氣的溫度的變化而波動。地表溫度通常需要統(tǒng)計當?shù)氐奶鞖赓Y料，然后根據(jù)地表溫度通過公式計算不同深度土壤的溫度。本文主要研究不同入流條件對地埋管的動態(tài)換熱特性的影響，為了簡化計算模型，忽略地表溫度和不同土壤深度溫度隨空氣溫度的變化，地表溫度取恒定溫度值29.34℃。土壤的初始溫度以及底部地面溫度取21.34℃。

地埋管內的介質為水，土壤的主要成分取石灰?guī)r，其物性參數(shù)如表1所示：

地埋管的水流方向如圖1所示從左往右，入口設置為速度入口邊界，通過改變地埋管的流速或入水溫度變換不同的工況；出口設置為outflow出流邊界條件；地表為溫度壁面；10米深地面也設置為溫度壁面。

1.3 數(shù)值方法

使用Fluent軟件求解非定常不可壓縮的時均N-S方程，湍流模型取RNG 二方程模型，采用有限體積法離散上述方程，對流項采用二階迎風格式，擴散項采用中心差分格式，通過SIMPLE算法耦合壓力與速度。由于本次動態(tài)數(shù)值模擬的物理時長為6個月，為了兼顧計算精度及計算效率，時間步長取300s。

2 結果分析

2.1 流速對地埋管換熱特性的影響

研究了地埋管入水溫度保持304.49K（31.34℃）不變，流速V分別為0.5m/s，1.0m/s，2.0m/s時的動態(tài)換熱特性。任一流速下熱流密度在地埋管運行20天內急劇減小，20天以后熱流密度緩慢的減小，最終趨于穩(wěn)定不變。為了清晰比較流速對熱流密度的影響，定義熱流密度增量為不同流速下的熱流密度與V=0.5m/s對應的熱流密度之差。圖2為地埋管熱流密度增量隨時間的變化曲線，從圖中可以看出，隨著流速的增大，熱流密度增量增大，意味著流速增加單位時間的換熱量增加；另外熱流密度增量隨著時間的增加先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定不變。

2.2 入水溫度對地埋管換熱特性的影響

研究了地埋管入水流速保持1.0m/s不變，入水溫度分別為28.34℃，31.34℃，34.34℃的動態(tài)換熱特性。圖3為不同入水溫度下，熱流密度隨時間的變化曲線，在任一溫度下，熱流密度在起初的20天內急劇下降，工作20天以后，熱流密度變化平緩并趨于穩(wěn)定；另外隨著入水溫度的增大，熱流密度增大。

2.3 工作模式對地埋管換熱特性的影響

由于水平地面換熱器在連續(xù)工作模式下，在運行一個月后，土壤達到熱飽和，熱流密度降到非常低的數(shù)值，導致?lián)Q熱效率過低，另外換熱器連續(xù)工作時耗能較高，因此有必要研究地埋管在循環(huán)工作模式下的動態(tài)換熱特性。

循環(huán)工作模式時，地埋管周期型的運行和暫停，在本文數(shù)值模擬過程中地埋管每暫停16小時，再工作8小時，8小時工作時流速為1m/s，16小時暫停時流速為0m/s。為了保證計算穩(wěn)定性，首先使地埋管從初始時刻連續(xù)工作1天。在計算過程中，通過設置周期型速度入口邊界來實現(xiàn)地埋管的周期型工作模式。

圖4為不同工作模式下熱流密度隨時間的變化曲線，從圖中可以看出，循環(huán)模式下熱流密度在暫停時由于流速為零，僅僅是地埋管內余留的流體進行換熱，熱流密度小于同時刻連續(xù)模式對應的熱流密度，在工作時高于同時刻的連續(xù)模式對應的熱流密度，這主要是因為循環(huán)運行模式有利于土壤溫度場的恢復，提高了地埋管與周圍土壤之間的換熱效率。循環(huán)模式下熱流密度以每24小時為一個周期變化，暫停時熱流密度存在波谷，而工作時存在波峰，隨著時間的增大，每個周期波谷值變化較小，而波峰顯著減小，從而使得時均熱流密度逐漸減小。

本文對夏季地源熱泵水平地埋管換熱器的動態(tài)換熱特性進行了數(shù)值模擬，得出以下結論：

（1） 提高地埋管換熱器內流動介質的流速及入口溫度有利于提高換熱器的熱流密度，然而較高的流速將導致?lián)Q熱器的需用功率急劇上升。

（2）分析了連續(xù)工作模式和循環(huán)工作模式下土壤溫度的動態(tài)變化，由于埋深較淺，地埋管埋深以上區(qū)域受地表溫度和地埋管熱傳導的影響，在較短的時間，該區(qū)域溫度分布趨于穩(wěn)定；地埋管埋深以下區(qū)域，隨著換熱器運行時間的增長，熱量向更低溫度區(qū)域傳遞。此外，兩種工作模式下地埋管埋深以上區(qū)域溫度變化大致相同，然而相對于連續(xù)工作模式，循環(huán)工作模式下地埋管周圍土壤高溫區(qū)域更小。

參考文獻：

[1]朱建勇，劉沛清，屈秋林等.螺旋式S型風輪氣動性能試驗研究[J].應用科學與工程學報，2015，23（05）：1060-1066.

[2]張銳，張旭.埋深對地源熱泵水平連接管夏季換熱性能的影響[J]. 暖通空調，2012，42（02）：71-75.

[3]卿菁，王勇.不同埋深水平蛇形地埋管換熱器換熱性能比較分析[J].制冷與空調，2015，29（05）：485-490.

作者簡介：林林（1982-），男，遼寧人，實驗崗助理工程師 ，研究方向：從事材料力學領域研究。endprint