趙運(yùn)超 李德飛 金輝 張志豪 費(fèi)華

1 江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院

2 武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

0 引言

溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)（THICS）為空調(diào)系統(tǒng)的研究方向提供了全新的思路，也為降低建筑能耗提供了一種行之有效的技術(shù)方法。在THICS中，溫度控制部分，由于無(wú)除濕的要求，所以與空氣進(jìn)行熱量交換的冷凍水可以采用15～18 ℃的高溫冷水，這就為自然冷源的利用提供了可能。如何充分利用自然界的高溫冷源，是發(fā)揮THICS節(jié)能優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵問(wèn)題[1-4]。在現(xiàn)有的相關(guān)文獻(xiàn)中[5-8]，對(duì)于直接利用自然界中的高溫冷源的研究相對(duì)較少。

筆者結(jié)合江南地區(qū)水資源豐富的特點(diǎn)，提出一種以江水為高溫冷源的 THICS，并以江南地區(qū)（南昌）為例，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)及理論分析。

1 以江水為冷源的THICS方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案如圖1，一定溫度的江水在循環(huán)水泵1的動(dòng)力作用下進(jìn)入管路系統(tǒng)，通過(guò)過(guò)濾裝置3和水處理裝置4達(dá)到水質(zhì)要求后送入一定深度的埋管換熱器6中，利用土壤在一定深度下常年保持恒溫的特點(diǎn)，通過(guò)熱量交換進(jìn)一步降低江水溫度，使經(jīng)過(guò)熱交換后的江水溫度滿(mǎn)足THISC中所需高溫冷水的溫度要求。高溫冷水在冷凍水泵5的作用下，被輸送至室內(nèi)的末端裝置7，對(duì)室內(nèi)進(jìn)行溫度的控制。換熱后的回水再沿管路經(jīng)埋管換熱器6排至江中，如此循環(huán)工作。

圖1 以江水為冷源的THICS原理圖

2 理論分析

2.1 江水溫度分析

贛江是南昌境內(nèi)最大的河流[9]，其 充足的水源為江水作為T(mén)HICS的高溫冷源提供了保證。筆者采用數(shù)值分析的方法，運(yùn)用MATLAB軟件，結(jié)合南昌地區(qū)典型氣象年的相關(guān)數(shù)據(jù)，分析南昌地區(qū)贛江江水溫度的分布規(guī)律，擬合方程[10]見(jiàn)下式：

式中：ts為江水平均溫度，℃；ta為當(dāng)?shù)乜諝馊掌骄鶞囟?，℃；φ為室外空氣相?duì)濕度，%；u為室外風(fēng)速，m/s。

計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 江水平均溫度分布圖

從圖2可知，南昌地區(qū)江水溫度在空調(diào)季的 5～9月份維持在18.58～22.73 ℃之間，7月為最高22.73 ℃，考慮到江水經(jīng)過(guò)過(guò)濾器和水處理裝置時(shí)可能有1～2 ℃的溫升，所以，江水溫度的分布范圍與 THICS 所要求的高溫冷水（15～18 ℃）的溫度相比，還有一定的差距，為了解決這個(gè)問(wèn)題，擬將江水與土壤相結(jié)合，利用土壤常年恒溫的特點(diǎn)進(jìn)一步對(duì)江水進(jìn)行降溫，從而達(dá)到使用要求。

2.2 土壤溫度分析

根據(jù)傳熱學(xué)理論，地殼被認(rèn)為是一個(gè)半無(wú)限大的物體。它的溫度場(chǎng)受周期性溫度波作用，在不同深度、不同時(shí)刻下的土壤溫度場(chǎng)的理論計(jì)算模型[11-12]為：

式中：x為地表向下算起的土壤深度，m；τ為計(jì)算時(shí)刻，s；tm為地表月平均溫度，取 18.2 ℃；a為土壤熱擴(kuò)散系數(shù)，取 9.2×10-7m2/s；Aw為地表溫度波動(dòng)的振幅，取±12.2 ℃；T為地表溫度的變化周期，取 8760 h。

根據(jù)式（2），利用MATLAB可計(jì)算出土壤溫度隨時(shí)間、深度的變化，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 土壤溫度隨時(shí)間、深度的變化規(guī)律圖

從圖3可以看出，隨著土壤深度的增加，溫度波的振幅逐漸減小，地層溫度地下5 m左右趨于穩(wěn)定，基本上穩(wěn)定在17.5℃左右。同時(shí)還可以看出，溫度波的峰值也隨著地層深度的變化而延遲。所以，水源與土壤源相結(jié)合的換熱方式，理論上可以滿(mǎn)足THICS對(duì)冷凍水溫度的要求。

3 傳熱分析

3.1 物理、數(shù)學(xué)模型的建立

地下埋管是一種利用地下土壤中的熱量進(jìn)行換熱循環(huán)的換熱器。筆 者利用GAMBIT軟件建立水平埋管傳熱的物理模型（如圖4所示），該模型主要由土壤，水平埋管和管內(nèi)流體組成，其中水平埋管長(zhǎng) 10m，周?chē)寥缼缀纬叽? m×4 m×10 m。

圖4 物理模型

埋管換熱器與土壤的傳熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程[13-15]，具體由4個(gè)過(guò)程組成：管內(nèi)對(duì)流過(guò)程，管壁的導(dǎo)熱過(guò)程，管壁與土壤的傳熱過(guò)程，土壤的導(dǎo)熱過(guò)程（如圖5所示）。

圖5 傳熱過(guò)程圖

所以，埋管換熱器與土壤之間非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)控制方程為：

式中：h為管內(nèi)流體對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m·℃)；Tf、Tb、T1、Ts分別為流體溫度、管內(nèi)壁溫度、管外壁溫度和土壤溫度，℃；λ1、λs分別為管壁導(dǎo)熱系數(shù)和土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；r1、r2分別為管內(nèi)半徑和管外半徑，m 。

在進(jìn)行計(jì)算時(shí)對(duì)上述數(shù)學(xué)模型作如下假設(shè)：

①假設(shè)流體、埋 管換熱器及土壤的熱物性參數(shù)為常物性參數(shù)。

②假設(shè)水平埋管內(nèi)同一截面處流體的溫度和流速均勻一致。

③假設(shè)同一水平面上的土壤初始溫度相同。

④忽略熱濕遷移所造成的影響。

⑤埋管敷設(shè)在土壤恒溫層。

⑥忽略土壤和水平埋管外管壁之間的接觸熱阻。

⑦假設(shè)水平埋管與土壤的換熱影響半徑為2 m，即2 m外土壤溫度不發(fā)生變化。

3.2 建模及網(wǎng)格劃分

由于求解的管內(nèi)流體是不可壓縮流體，且其流速不大，選取隱式求解器，其流動(dòng)狀態(tài)為紊流，選取標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon紊流模型[16]。先定義管內(nèi)流體的介質(zhì)類(lèi)型為“FLUID”，并命名為“fluid”。然后定義埋管換熱器和土壤的介質(zhì)類(lèi)型為“SOLID”。水平埋管進(jìn)口“inlet”定義為VELOCITY_INLET，隨后在FLUENT 中給定進(jìn)口流速和水溫的邊界條件。出口“outlet”為充分發(fā)展流動(dòng)，定義為OUTFLOW邊界條件。埋管換熱器壁面和土壤壁面均定義為WALL。

圖6 進(jìn)出口截面與管壁面劃分效果

在GAMBIT 中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分相當(dāng)于對(duì)控制方程進(jìn)行離散化，然后求解離散方程組。單擊操作面板上的“mesh”工具箱，對(duì)上述物理模型的埋管和土壤區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖6為進(jìn)出口截面和管壁網(wǎng)格劃分效果圖。圖7為土壤水平面，采用三角形的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。圖8為水平埋管整體網(wǎng)格劃分效果。模型的總網(wǎng)格數(shù)為830771個(gè)。

圖7 土壤水平面網(wǎng)格劃分

圖8 水平埋管整體網(wǎng)格劃分效果

4 模擬結(jié)果

結(jié)合南昌地區(qū)贛江水源及土壤的實(shí)際情況，模擬在實(shí)際條件下，江水經(jīng)過(guò)土壤換熱器后水溫的變化情況，考察出口水溫是否滿(mǎn)足THICS對(duì)高溫冷源溫度的使用要求。南昌地區(qū)的土壤以砂巖為主，埋管材料選取高密度聚乙烯管（PE管），入口水溫為23 ℃，取流速0.5 m/s，其他材料物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料物性參數(shù)表

圖9為在t=3600s 時(shí)，即在系統(tǒng)運(yùn)行 1h后，模擬水平埋管出口水溫的計(jì)算過(guò)程中的各項(xiàng)殘差值，從圖中可以看出計(jì)算過(guò)程中各項(xiàng)殘差值一直很穩(wěn)定，且保持在較低的數(shù)值，說(shuō)明了計(jì)算結(jié)果可靠性。

圖9 水平埋管出口水溫模擬計(jì)算殘差圖

圖10和11分別為江水進(jìn)入水平埋管入口和出口處水溫的變化情況。從圖中可以看出：當(dāng)管道足夠長(zhǎng)，換熱充分后，管內(nèi)流體在出口處的溫度將會(huì)達(dá)到與土壤溫度 290.65K一致，即17.5℃，整個(gè)過(guò)程降低5.5℃，基本上可以滿(mǎn)足溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中對(duì)高溫冷源溫度的使用要求，因此，本文提出的方案在江南地區(qū)實(shí)施使用是可行的。

圖10 水平埋管入口處水溫云圖

圖11 水平埋管出口處水溫云圖

5 影響因素分析

江水與土壤的換熱通過(guò)水平埋管來(lái)完成，水平埋管換熱器將大地作為冷源，所以系統(tǒng)熱交換的效率由管內(nèi)流體的流速、管材的導(dǎo)熱系數(shù)和土壤的導(dǎo)熱系數(shù)三者統(tǒng)統(tǒng)決定。本文利用上述模型，分別模擬以上三個(gè)因素對(duì)地下埋管換熱性能的影響并進(jìn)行理論分析。

5.1 管內(nèi)流速大小對(duì)水平埋管換熱性能的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[17]，埋管換熱器內(nèi)流體流速的要求為不低于0.2m/s，若流速過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)流體在流動(dòng)過(guò)程中阻力增大，最終增加泵的能耗。反之，若流速過(guò)小，又不利于充分換熱。故在入口水溫為23℃的工況下，流速分別取 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1.0、1.2 m/s，分析水平埋管單位管長(zhǎng)換熱量的大小，模擬結(jié)果詳見(jiàn)圖12。

圖12 不同流速下水平埋管單位管長(zhǎng)換熱量

從圖12中可以看出：在換熱器入口水溫一定的情況下，隨著入口流速的增大，單位管長(zhǎng)換熱量逐漸增加，這是因?yàn)樵趽Q熱器斷面積不變時(shí)，流速的增加會(huì)增大管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)，有利于管內(nèi)流體與周?chē)寥乐g的熱量交換。隨著流速的增加，管路系統(tǒng)阻力也會(huì)增大，從而導(dǎo)致泵的能耗增加。另外，當(dāng)流速增大到一定時(shí)，單位管長(zhǎng)換熱量的增量也會(huì)變小，地下埋管換熱增量不明顯。所以，在綜合考慮單位管長(zhǎng)換熱量大小以及系統(tǒng)的能耗情況，筆者認(rèn)為水平埋管內(nèi)流速取0.5～0.8 m/s比較適宜。

5.2 管材導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)水平埋管換熱性能的影響

筆者選取不同管材進(jìn)行模擬，其 導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.3，0.45，0.9，1.5和2.0 W/(m·℃)，在入口水溫23℃，流速0.5 m/s的工況下，模 擬不同管材的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)水平埋管單位管長(zhǎng)換熱量的影響，具體的模擬結(jié)果詳見(jiàn)圖13。

圖13 單位管長(zhǎng)換熱量隨管材導(dǎo)熱系數(shù)變化圖

從圖 13 可以看出，當(dāng)管材的導(dǎo)熱系數(shù)從 0.3 W/(m·℃)變化到 2.0 W/(m·℃)時(shí)，單位管長(zhǎng)換熱量的改變僅僅是1.1 W/m，所以，水平埋管的管材導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)埋管的換熱量影響是很小的。雖然說(shuō)水平埋管是流體與土壤發(fā)生熱交換的中間介質(zhì)，但是由于埋管管壁的厚度僅為1 mm，導(dǎo)致管壁的導(dǎo)熱熱阻在換熱過(guò)程產(chǎn)生的影響非常小。如果在實(shí)際工程中一味地追求高導(dǎo)熱系數(shù)的水平埋管，并不能獲得很好的增強(qiáng)埋管的傳熱性能。

5.3 土壤導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)水平埋管換熱性能的影響

分別選取不同地區(qū)的土壤，其導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.9、2.0 和 3.55W/(m·℃)，在入口水溫23 ℃，流速0.5 m/s，水平埋管管材導(dǎo)熱系數(shù)取0.45 W/(m·℃)的工況下，模擬不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)水平埋管單位管長(zhǎng)換熱量的影響，模擬結(jié)果見(jiàn)圖14。

圖14 單位管長(zhǎng)換熱量隨土壤導(dǎo)熱系數(shù)變化圖

圖14可以看出，隨著土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增加，單位管長(zhǎng)換熱量越大，基本上是成線性增加的。這是因?yàn)橥寥缹?dǎo)熱系數(shù)越高，水平埋管與土壤的換熱更加充分，換熱效率也更高。在土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.9W/(m·℃)時(shí)，單位管長(zhǎng)換熱量為60.31 W/m，而在導(dǎo)熱系數(shù)為3.55 W/(m·℃)時(shí)，換熱量為84.6 W/m，增長(zhǎng)了 24.29 W/m，這意味著對(duì)于同樣的管材，在導(dǎo)熱系數(shù)高的土壤中可以縮短埋管的長(zhǎng)度，從而節(jié)省埋管敷設(shè)費(fèi)用，即可以減少系統(tǒng)的初投資。

6 結(jié)論

筆者提出一種以江水為高溫冷源的溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以南昌地區(qū)為例分析了該方案實(shí)施所需的江水和土壤溫度的分布情況，并通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬的方法研究了不同因素對(duì)土壤埋管換熱量的影響，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)南昌地區(qū)贛江水溫和土壤溫度分布的計(jì)算分析，認(rèn)為單一水源難以滿(mǎn)足 THICS 對(duì)水溫的要求，因此提出了水源+土壤源的換熱方式用來(lái)完善本方案。

2）運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，建立了水平埋管的物理模型和數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模擬分析得出在換熱器入口水溫一定時(shí)，隨著管內(nèi)流速的增大，單位管長(zhǎng)換熱量逐漸增加，考慮系統(tǒng)能耗后認(rèn)為水流速取 0.5～0.8 m/s比較適宜。管材導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)單位管長(zhǎng)換熱量的影響較小。土壤的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)單位管長(zhǎng)換熱量增加非常明顯。另外，埋管在換熱的過(guò)程中會(huì)使得臨近的土壤有一定的溫升，但溫升量較小，對(duì)換熱的影響較小。

3）針對(duì)南昌地區(qū)贛江水溫及土壤的實(shí)際情況進(jìn)行熱量交換的數(shù)值模擬，得到管內(nèi)流體在出口處的溫度約為即 17.5 ℃，基本上可以滿(mǎn)足 THICS 對(duì)冷源溫度的使用要求，驗(yàn)證該方案在江南地區(qū)實(shí)施可行性。