于艷紅 王松慶

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

地源熱泵是利用淺層地?zé)崮?，既可供熱又可制冷的?jié)能、無污染的空調(diào)系統(tǒng)。但是，隨著地源熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行過程中冷、熱負(fù)荷不匹配，土壤熱失衡問題隨之產(chǎn)生[1-3]。這種情況在寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)尤為突出[4]。豎直地埋管是地源熱泵的一種常見的布置形式，土壤源熱泵在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于受到占地面積和換熱穩(wěn)定性等因素的限制，土壤源熱泵系統(tǒng)室外地下?lián)Q熱器多采用豎直地埋管換熱器，埋管深度一般為50 m～200 m，通常會(huì)跨越不同的地質(zhì)層。

Bai L等[5]利用有限元分析軟件模擬的熱通量的變化與土壤源熱泵地下土壤溫度變化平均值，但并沒有對(duì)地埋管換熱器在不同分層位置內(nèi)部流動(dòng)工質(zhì)溫度變化特性進(jìn)行分析。Philip[6]等研究了非等溫非飽和土壤中水的運(yùn)動(dòng)情況，并考慮了溫度對(duì)水分遷移的影響；為本文研究思路提供了參考，高青等[7]基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分析了埋管在不同模式下周圍土壤熱響應(yīng)特性，郝赫[8]則從巖土體導(dǎo)熱系數(shù)、建筑負(fù)荷等五個(gè)方面分析了對(duì)地源熱泵的敏感性影響；Wang Z等[9]提出了一種預(yù)測不同溫度下土壤導(dǎo)熱系數(shù)的新模型，一個(gè)熱濕耦合傳遞的數(shù)學(xué)模型在非飽和土建立了地埋管換熱器，但上述并沒有針對(duì)跨越非飽和/飽和層狀土壤條件下豎直地埋管換熱器傳熱性能和傳熱性能影響機(jī)制進(jìn)行研究與分析。陳衡[10]研究了土壤分層對(duì)豎直地埋管換熱器的換熱性能影響，為本文研究提供了參考但并沒有對(duì)土壤的非飽和/飽和問題深入研究。

因此，為了完善上述原因的限制，本文將構(gòu)建跨越非飽和土與飽和土模型，并運(yùn)用數(shù)值仿真研究方法探究跨越非飽和/飽和土換熱器進(jìn)水管溫度變化規(guī)律。

1 理論計(jì)算模型建立

由于考慮了非飽和土壤與飽和土壤的分層問題，不同土層傳熱特性存在差異，如果仍將地埋管換熱器單位埋深換熱量考慮為常數(shù)或忽略地埋管換熱器內(nèi)循環(huán)液溫度的沿程變化，則勢必會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差，因此對(duì)于本文研究內(nèi)容而言，必須準(zhǔn)確合理建立地埋管換熱器內(nèi)流體的能量方程，考慮地埋管換熱器與土壤換熱時(shí)，循環(huán)液體溫度沿程變化對(duì)地埋管換熱器傳熱特性的影響，結(jié)合上述非飽和土壤與飽和土壤能量方程，構(gòu)建適合本文研究地埋管換熱器傳熱機(jī)理模型，本文采用Realizable k-ε模型[11]描述循環(huán)液在地埋管換熱器內(nèi)的流動(dòng)和傳熱，主要連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程分別如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

湍流動(dòng)能k方程：

(3)

ε方程：

(4)

2 數(shù)值模擬模型建立

本文以豎直地埋管換熱器進(jìn)水管溫度變化特性為主要研究對(duì)象，主要通過數(shù)值模擬來分析跨越非飽和/飽和層狀土壤豎直地埋管換熱性能研究，土層模擬深度100 m，假設(shè)把土壤均分為五層，水平均勻分層，豎直地埋管換熱器跨越不同土壤層，共設(shè)置5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，每層1個(gè)，地埋管換熱器系統(tǒng)示意圖如圖1所示；每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在每層土壤進(jìn)水管中心位置，監(jiān)測點(diǎn)具體位置間隔距離如表1所示。

表1 監(jiān)控點(diǎn)的位置選取 m

3 結(jié)果及分析

本文模擬了地埋管換熱器夏季和冬季兩種工況下該模型的運(yùn)行，假設(shè)土壤分層均勻，每層土壤參數(shù)不發(fā)生變化。模擬工況與土壤的物性參數(shù)分別如表2,表3所示。

表2 模擬工況模擬參數(shù)

表3 土壤模擬參數(shù)

地埋管換熱器中，5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在夏季工況連續(xù)運(yùn)行14 d的溫度變化情況如圖2所示。從圖2可以看出5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都呈上升的趨勢，在系統(tǒng)運(yùn)行前期，監(jiān)測點(diǎn)1和監(jiān)測點(diǎn)2的溫度變化不顯著，而監(jiān)測點(diǎn)3、監(jiān)測點(diǎn)4、監(jiān)測點(diǎn)5變化較為明顯。在系統(tǒng)運(yùn)行到第14天時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)的溫度低于換熱器進(jìn)水管初始溫度，監(jiān)測點(diǎn)1在第14天的溫度與第1天的溫度相比，溫度升高0.45 ℃,同比上升1.0%，監(jiān)測點(diǎn)2在第14天的溫度與第1天的溫度相比溫度升高0.62 ℃，同比上升1.31%，監(jiān)測點(diǎn)3在第14天的溫度與第1天的溫度相比溫度升高0.88 ℃,同比上升1.96%，監(jiān)測點(diǎn)4在第14天的溫度與第1天的溫度相比溫度升高1.35 ℃,同比上升3.0%，監(jiān)測點(diǎn)5在第14天的溫度與第1天的溫度相比溫度升高2.29 ℃，同比上升5.01%，監(jiān)測點(diǎn)3、監(jiān)測點(diǎn)4、監(jiān)測點(diǎn)5處于飽和土層中的地埋管換熱器中，監(jiān)測點(diǎn)1、監(jiān)測點(diǎn)2處于非飽和土層中的地埋管換熱器中，在系統(tǒng)運(yùn)行14 d時(shí)，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)溫度與第1天相比，飽和土層中地埋管換熱器的監(jiān)測點(diǎn)溫度變化比非飽和土中地埋管換熱器的監(jiān)測點(diǎn)溫度變化幅度大，這也是因?yàn)閾Q熱器內(nèi)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水溫隨著土壤與換熱器的不斷換熱，土壤的溫度逐漸升高，地埋管換熱器內(nèi)水溫與土壤的溫度差越來越小，土壤換熱能力減弱，地埋管換熱器內(nèi)水溫逐漸上升，因此飽和土的導(dǎo)熱性優(yōu)于非飽和土。

各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在冬季工況連續(xù)運(yùn)行14 d的溫度變化情況如圖3所示。從圖3可以看出5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都呈上升趨勢，運(yùn)行后期至運(yùn)行結(jié)束各個(gè)檢測點(diǎn)溫度趨于穩(wěn)定，監(jiān)測點(diǎn)1和監(jiān)測點(diǎn)2在運(yùn)行前期溫度沒有太大變化，基本呈不變趨勢，監(jiān)測點(diǎn)3、監(jiān)測點(diǎn)4、監(jiān)測點(diǎn)5溫度變化較為明顯，監(jiān)測點(diǎn)3在運(yùn)行中期溫度變化較大，監(jiān)測點(diǎn)4和監(jiān)測點(diǎn)5在運(yùn)行初期溫度變化較大并一直持續(xù)到后期溫度變化才逐漸放緩，在系統(tǒng)運(yùn)行到第14天時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)的溫度高于換熱器進(jìn)水管初始溫度，監(jiān)測點(diǎn)1在第14天的溫度與第1天的溫度相比，溫度降低0.49 ℃,同比下降7.0%，監(jiān)測點(diǎn)2在第14天的溫度與第1天的溫度相比，溫度降低0.61 ℃，同比下降8.71%，監(jiān)測點(diǎn)3在第14天的溫度與第1天的溫度相比，溫度降低0.81 ℃,同比下降11.58%，監(jiān)測點(diǎn)4在第14天的溫度與第1天的溫度相比，溫度降低1.1 ℃,同比下降15.71%，監(jiān)測點(diǎn)5在第14天的溫度與第1天的溫度相比，溫度降低1.55 ℃，同比下降22.14%，監(jiān)測點(diǎn)3、監(jiān)測點(diǎn)4、監(jiān)測點(diǎn)5處于飽和土層中的地埋管換熱器中，監(jiān)測點(diǎn)1、監(jiān)測點(diǎn)2處于非飽和土層中的地埋管換熱器中，在系統(tǒng)運(yùn)行14 d時(shí)，各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)溫度與第1天相比，飽和土層中地埋管換熱器的監(jiān)測點(diǎn)溫度變化比非飽和土中地埋管換熱器的監(jiān)測點(diǎn)溫度變化幅度大，在冬季工況運(yùn)行下同樣是飽和土的導(dǎo)熱性優(yōu)于非飽和土。

4 結(jié)語

本文對(duì)比分析了地埋管換熱器管內(nèi)水溫變化特性，研究結(jié)果表明換熱器在飽和土壤的換熱性優(yōu)于非飽和土，豎直地埋管換熱器在實(shí)際工程中常?？缭讲煌柡投鹊耐寥溃瑧?yīng)考慮土壤分層中跨越非飽和土和飽和土?xí)r豎直地埋管換熱器換熱性能的影響，為地埋管換熱器的設(shè)計(jì)提供新思路。