劉典，杜震宇

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

隨著全球能源消耗的不斷增加，資源面臨枯竭，環(huán)境面臨破壞，氣候開(kāi)始出現(xiàn)各種極端變化.地?zé)崮茏鳛橐环N有前途的可再生能源已廣泛應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域[1].我國(guó)政府和社會(huì)公眾越來(lái)越重視保護(hù)大氣環(huán)境，城鎮(zhèn)已普遍禁止采用中小型燃煤鍋爐供熱，熱泵成為替代燃煤鍋爐的供熱方式[2].根據(jù)獲取熱能的不同來(lái)源，熱泵分為地源熱泵，水源熱泵和空氣源熱泵.地源熱泵因其具有占地面積小、不會(huì)對(duì)地下水造成污染等優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最為普遍的一種熱泵系統(tǒng)[3].

地埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵，其換熱性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行[4].學(xué)者們已經(jīng)對(duì)地埋管換熱器進(jìn)行大量研究，但都是基于土壤初始溫度均勻一致且無(wú)地下水滲流等假設(shè)，與真實(shí)結(jié)果存在著一定的誤差.隨著時(shí)代及認(rèn)知的發(fā)展，傳統(tǒng)的未考慮土壤分層和地下水滲流的均質(zhì)換熱模型已經(jīng)不再適用.在實(shí)際工程中，深度一般為30～100 m，周?chē)刭|(zhì)情況復(fù)雜，地埋管在豎直方向上穿越不同的巖土層，且部分巖土層中存在地下水滲流，因此，豎直方向的各地質(zhì)層的換熱能力不同[5].為了使模擬結(jié)果更接近于真實(shí)情況，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始研究巖土體分層和地下水滲流對(duì)地埋管換熱器換熱性能的影響.

陳金華[6]提出地下土壤在豎直方向上存在分層現(xiàn)象，初始溫度和物性隨著分層的不同而不同.張琳琳等[7]對(duì)比分析土壤分層模型和均質(zhì)模型情況下埋管周?chē)鷾囟葓?chǎng)的分布，得出土壤分層導(dǎo)致每層鉆孔壁溫度因土壤物性變化各不相同，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也各有差異.杜震宇[8]對(duì)黃土高原某地地下埋管進(jìn)行兩年的監(jiān)測(cè)，指出鉆井的計(jì)算必須考慮巖土體分層的影響.劉逸等[9]采用整體求解法，比較有、無(wú)地下水滲流工況下埋管的換熱情況，得出地下水滲流時(shí)的土壤溫度波動(dòng)范圍較地下水無(wú)滲流的大，地埋管換熱器效果好.岳麗燕等[10]搭建地埋管室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)，得出地下水滲流流速越大，地埋管換熱器的換熱量和綜合導(dǎo)熱系數(shù)也越大.王欣[11]提出地下水滲流方向角的概念，指出U型管的供回水溫差并不隨著滲流速度的增大而無(wú)限增大，與地下水滲流方向有著一定的關(guān)系.Choi等[12]基于有限元法，研究地下水滲流方向和速率對(duì)不同排列方式的地埋管管群的影響，指出考慮地下水滲流方向因素必不可少.

以上學(xué)者均從單一因素研究埋管與土壤換熱的影響，而對(duì)于分層巖土和地下水共同作用的研究相對(duì)較少，且目前對(duì)多供一回新型換熱器的研究是基于巖土體分層但初始溫度均勻一致，且無(wú)地下水滲流等條件進(jìn)行的.因此，本文以黃土高原某高速公路辦公服務(wù)區(qū)的實(shí)際巖土層環(huán)境為基礎(chǔ)，根據(jù)多孔介質(zhì)理論，采用DesignMoldeler軟件對(duì)多供一回中心回水管換熱器(簡(jiǎn)稱(chēng)多供一回埋管換熱器)及其周?chē)鷰r土體建立三維非穩(wěn)態(tài)熱滲耦合傳熱模型，得到該地區(qū)不同類(lèi)型多供一回埋管換熱器的最佳地下水滲流方向和最佳管長(zhǎng).

1 數(shù)值模擬

1.1 多供一回埋管換熱器的結(jié)構(gòu)

以五供一回埋管換熱器為例，其包括5根供水支管和一根管徑較大的回水管，回水管置于換熱器中心且用雙壁管保溫，雙壁管夾層為真空，避免普通保溫材料被水浸濕而失效[13].五供一回埋管換熱器結(jié)構(gòu)三維視圖，如圖1所示.圖1中：匯水器起到連接供回水管的作用；為了便于模擬分析，將圓臺(tái)形簡(jiǎn)化成圓柱形.

(a)三維視圖 (b)縱剖面圖 (c)橫剖面圖

1.2 模型的假設(shè)及簡(jiǎn)化

由于多供一回埋管換熱器傳熱過(guò)程比較復(fù)雜，受到多種因素影響，所建立的模型無(wú)法做到與實(shí)際完全一致，因此，對(duì)模型進(jìn)行如下7個(gè)假設(shè)及簡(jiǎn)化.

1)將土壤視為飽和多孔介質(zhì)，假設(shè)土壤中的地下水滲流方向僅沿水平方向，不考慮豎直方向.

2)忽略含水層與非含水層之間的傳質(zhì).

3)在鉆孔深度范圍內(nèi)，巖土體初始溫度按照某一函數(shù)連續(xù)變化.

4)在同一構(gòu)造層范圍內(nèi)，巖土體組成成分、物性參數(shù)各向均勻一致，不隨巖土體溫度變化而變化.

5)由于供回水管管徑較小，因此，假設(shè)管內(nèi)流體溫度在水平截面上均勻一致.

6)假設(shè)回填材料與地埋管及周?chē)寥乐g接觸良好，忽略接觸熱阻.

7)回水管保溫絕熱.

1.3 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

在工程中，兩管井間最大間距一般為6 m，因此，單井的作用距離為3 m.只考慮單井內(nèi)的多供一回埋管換熱器與巖土體之間的換熱，以長(zhǎng)方體區(qū)域(長(zhǎng)×寬×高為6 m×6 m×90 m)為計(jì)算區(qū)域，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，將巖土體分為5層，按照原比例建模:埋管深度為90 m；鉆井直徑為150 mm；匯水器直徑為140 mm；供水管中心距鉆井中心距離為50 mm；供水管內(nèi)徑為25 mm；回水管內(nèi)徑為32 mm；匯水器厚度為50 mm；雙壁管外壁直徑為52 mm.

利用Meshing軟件對(duì)多供一回埋管換熱器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格劃分的模型導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算.網(wǎng)格劃分方式和網(wǎng)格質(zhì)量嚴(yán)重影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[14].劃分原則如下：溫度變化劇烈的地方應(yīng)該加密網(wǎng)格，溫度變化平緩的地方可以相對(duì)稀疏網(wǎng)格[15].因此，離多供一回埋管換熱器越近的土壤網(wǎng)格越密；由于溫度場(chǎng)變化不明顯，離多供一回埋管換熱器越遠(yuǎn)的土壤網(wǎng)格越稀疏，多供一回埋管換熱器豎直方向溫度變化很小，網(wǎng)格稀疏.五供一回埋管換熱器模型的網(wǎng)格劃分，如圖2所示.

(a)土壤網(wǎng)格劃分 (b)埋管及匯水器網(wǎng)絡(luò)劃分

1.4 物性參數(shù)

根據(jù)黃土高原實(shí)際情況設(shè)置的巖土體分層情況，如圖3所示.

(a)三維立體圖 (b)側(cè)面圖

巖土物性參數(shù)[16]，如表1所示.表1中：Δh為土壤分層厚度；ρ為流體密度；c為土壤比熱容；υ為軟化水的運(yùn)動(dòng)粘度，軟化水是指經(jīng)過(guò)軟化后只有少量的可溶性鎂鹽和鈣鹽的天然水，軟化水從根本上消除水堿，使設(shè)備安全運(yùn)行，減少水管道的維修；φ為孔隙率；λ為土壤導(dǎo)熱系數(shù).

表1 巖土物性參數(shù)

1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

兩供一回、三供一回、四供一回、五供一回埋管換熱器除供水管數(shù)量不同外，幾何尺寸一致，網(wǎng)格劃分原則相同，換熱器、鉆井內(nèi)回填材料等的網(wǎng)格尺寸也基本一致，故對(duì)兩供一回埋管換熱器的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的驗(yàn)證也同樣適用于其余多供一回埋管換熱器.

選取網(wǎng)格總數(shù)分別為113 395，399 865，665 664，990 865和1 100 325的兩供一回埋管換熱器模型進(jìn)行模擬，其出口平均溫度分別為294.53，294.74，294.78，294.80，294.82 K.因此，不同網(wǎng)格總數(shù)的出口平均溫度之間最大誤差為1.30%，最小為0.09%；網(wǎng)格數(shù)量對(duì)溫度分布基本沒(méi)有影響.綜上，選取網(wǎng)格總數(shù)為399 865的模型進(jìn)行模擬計(jì)算.

1.6 數(shù)學(xué)模型

多供一回埋管換熱器與巖土體的傳熱是比較復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，包括換熱器內(nèi)介質(zhì)與管壁、回填材料的傳熱、非滲流層土壤之間的導(dǎo)熱及滲流層土壤之間的對(duì)流傳熱.

土壤層之間存在溫度差異，必然發(fā)生熱量交換.非滲流層巖土體之間的傳熱僅是單純的傳熱，滲流層之間的傳熱及滲流層與非滲流層巖土體之間的傳熱均是對(duì)流過(guò)程，故可以將滲流對(duì)埋管的換熱作用附加到土壤導(dǎo)熱系數(shù)中，建立等效數(shù)值模型.

1.6.1 埋管內(nèi)水的流動(dòng)方程、動(dòng)量方程及能量守恒方程[17]質(zhì)量方程為

(1)

動(dòng)量方程為

(2)

能量方程為

(3)

式(1)～(3)中：ρ為流體密度，kg·m-3；τ為運(yùn)行時(shí)間，s；u為速度矢量，m·s-1；ui為速度矢量在坐標(biāo)軸i的分量，m·s-1；Sui為廣義源項(xiàng)；η為流體的動(dòng)力粘度；p為壓力，Pa；ρfxi為體積力；c為比熱容；T為溫度，K；ST為粘性耗散項(xiàng).

1.6.2 回填材料、非滲流土壤層之間的導(dǎo)熱微分方程 微分方程為

(4)

式(4)中：ρs，i為第i層巖土體的密度，kg·m-3，i=1，2，…；cs，i為第i層巖土體的比熱容，kJ·(kg·K)-1；Ti為第i層巖土體溫度，K；Qi為第i層的源項(xiàng)；z為巖土層距離地面的距離，m；λi為第i層巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1.

1.6.3 滲流層多孔介質(zhì)的能量方程、質(zhì)量方程、動(dòng)量方程 將有滲流層的土壤近似看成各向同性的理想多孔介質(zhì)，且假設(shè)地下水沿一維水平方向流動(dòng).多孔介質(zhì)區(qū)域并不是建立帶有孔隙的立方體，而是用孔隙率φ表示多孔介質(zhì).多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的換熱形式不僅有熱傳導(dǎo)還有熱對(duì)流.假定飽和多孔介質(zhì)中流體和固體可以瞬時(shí)達(dá)到局部平衡，并且認(rèn)為熱容量和熱導(dǎo)率是恒定的[18].能量方程為

(5)

(ρc)m，j=(1-φ)(ρc)s，j+φ(ρc)g，j，

(6)

λm，j=(1-φ)λs，j+φλg，j，

(7)

qm，j=(1-φ)qs，j+φqg，j.

(8)

質(zhì)量方程為

(9)

動(dòng)量方程為

(10)

式(5)～(10)中：v為地下水滲流的流速，m·s-1；qm，j為第j層多孔介質(zhì)的熱源；(ρc)m，j為第j層多孔介質(zhì)的表觀比熱容，J·(m3·K)-1；(ρc)s，j為第j層土壤的體積比熱容，J·(m3·K)-1；(ρc)g，j為第j層地下水的體積比熱容，J·(m3·K)-1；Tj為第j層巖土溫度，K；λm，j為第j層多孔介質(zhì)的表觀導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1；λs，j為第j層多孔介質(zhì)中土壤的導(dǎo)熱系數(shù)；λg，j為第j層多孔介質(zhì)中水的導(dǎo)熱系數(shù)，W·(m·K)-1；μ為多孔介質(zhì)的有效粘度；Si是動(dòng)量方程的源項(xiàng)，由達(dá)西黏性阻力項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)組成.

1.6.4 初始條件和邊界條件的設(shè)置 張靜等[13]認(rèn)為多供一回埋管換熱器適宜速度為0.4～0.6 m·s-1，在該速度范圍內(nèi)，相應(yīng)的多供一回埋管換熱器可替換單、雙U換熱器.因此，埋管入口速度設(shè)置為0.4 m·s-1.埋管土壤中有地下水滲流，地下水流動(dòng)速度設(shè)置為600 m·a-1，即1.9×10-5m·s-1，120 h流動(dòng)距離為8.2 m.現(xiàn)有大多數(shù)模型都是假設(shè)不同土壤的初始溫度是均勻的，然而，通過(guò)對(duì)黃土高原寒冷地區(qū)地下巖土層的現(xiàn)場(chǎng)勘探及熱響應(yīng)測(cè)試，土壤的初始溫度并不是均勻一致的，以鉆孔底端為坐標(biāo)原點(diǎn)，管段距離底端的距離為h，層與層之間初始溫度(T∞(h))[8]為

T∞(h)=0.016(90-h)+283.61， 0

(11)

T∞(h)=-0.012(90-h)+284.19， 70≤h≤90.

(12)

將土壤初始溫度、土壤四周的壁面溫度均用UDF函數(shù)設(shè)置輸入：供水水溫設(shè)置為300 K；室外空氣溫度設(shè)置為298.75 K；土壤頂面與空氣對(duì)流換熱系數(shù)為0.48 W·(m2·K)-1.

1.6.5 數(shù)值模擬條件的設(shè)置 模型的入口邊界設(shè)置為velocity-inlet，出口邊界設(shè)置為pressure-outlet；埋管與鉆井壁面、回填土與土壤交界面及不同巖土層之間均設(shè)置為耦合換熱邊界條件；計(jì)算區(qū)域四周設(shè)置為第一類(lèi)邊界條件；底面設(shè)置為絕熱邊界條件.

模型采用比標(biāo)準(zhǔn)模型性能好且能有效應(yīng)用于各種類(lèi)型的流動(dòng)模擬(包含射流、混合流的自由流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)、以及帶有分離層的流動(dòng))的Realizablek-e模型[19]，選擇主要用于瞬態(tài)模擬，特別是使用大的時(shí)間步長(zhǎng)的PISO算法.由實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)和地勘資料可知，在地下30～40 m間存在地下水滲流[9].因此，非滲流層土壤設(shè)置為soild，地下水滲流層設(shè)置為fluid多孔介質(zhì).動(dòng)量、能量方程均采用二階迎風(fēng)離散格式，暫態(tài)項(xiàng)采用隱式格式.

1.7 模型驗(yàn)證

模型使用文獻(xiàn)[20]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，幾何模型與物性參數(shù)均按文獻(xiàn)[20]進(jìn)行設(shè)置.出口水溫實(shí)測(cè)值與模擬值的比較，如圖4所示.由圖4可知：模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果相差不大，最大誤差為7.7%，小于10.0%，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性.因此，文中數(shù)值模擬方法能比較真實(shí)地反應(yīng)埋管換熱情況.

圖4 出口水溫實(shí)測(cè)值與模擬值的比較

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 沿埋深方向變化的土壤初始溫度

以三供一回埋管換熱器為例，對(duì)比分析分層土壤初始溫度為連續(xù)變化的溫度函數(shù)(8)，(9)和初始溫度為284 K條件下的換熱情況.在多供一回埋管換熱器與巖土體傳熱的過(guò)程中，存在一個(gè)臨界位置，該位置不再受到管內(nèi)水溫的影響，從而保持初始溫度，從臨界位置到地埋管換熱器的中心的距離就是多供一回埋管換熱器的熱作用半徑.

土壤初始溫度為恒溫284 K的不同層溫度云圖，如圖5所示.土壤初始溫度為溫度函數(shù)的不同層溫度云圖，如圖6所示.由圖5，6可知：當(dāng)初始溫度為284 K時(shí)，各層土壤與多供一回埋管換熱器換熱量不同，熱作用半徑也不同，因?yàn)椴煌瑢油寥赖膶?dǎo)熱系數(shù)不一樣，導(dǎo)熱系數(shù)λ越大，換熱程度越大，換熱量增加，熱半徑也相應(yīng)較大，而導(dǎo)熱系數(shù)λ小，則反之；當(dāng)初始溫度是連續(xù)變化的溫度函數(shù)時(shí)，溫度高于284 K的土壤與埋管內(nèi)水溫之間的溫差較小，換熱量較少，熱作用半徑也相應(yīng)較小，溫度低于284 K的土壤與埋管內(nèi)水之間溫差較大，換熱量也相應(yīng)較大.

(a)z=45 m (b)z=50 m (c)z=60 m

(a)z=45 m (b)z=50 m (c)z=60 m

當(dāng)初始溫度為284.00 K時(shí)，出口溫度為294.62 K，總換熱量為8 876.35 J；當(dāng)初始溫度為連續(xù)變化的溫度函數(shù)時(shí)，出口溫度為294.75 K，總換熱量為8 656.19 J.因此，兩種不同初始條件下的埋管總換熱量相差220.16 J，誤差率達(dá)到了2.48%.在進(jìn)行多供一回埋管換熱器模擬時(shí)，不同層巖土體之間的溫度差異不能忽略.

2.2 不同地下水滲流方向

不同地下水滲流方向下的多供一回埋管換熱器xy平面示意圖，如圖7所示.圖7中：1～5為供水支管1～5.多供一回埋管換熱器各供水支管在不同地下水滲流方向下溫度變化圖，如圖8所示.圖8中：out為出水管；in1～in5為供水支管1～5.

(a)方向1 (b)方向2

(a)兩供一回埋管換熱器x方向 (b)兩供一回埋管換熱器y方向

單位井深換熱量是反映埋管換熱能力的重要指標(biāo)[21].由圖8可知：隨著地下水滲流方向不同，不同巖土層所對(duì)應(yīng)的各支管段的單位換熱量也不同，因此，管內(nèi)水溫變化也不一樣.

兩供一回、三供一回、四供一回、五供一回埋管換熱器的各供水支管沿埋管方向的單位軸向換熱量，如表2～5所示.表2～5中：q為兩供一回?fù)Q熱器支管沿埋管方向的單位軸向換熱量.

由表2及圖8(a)，(b)可知以下2點(diǎn).

表2 兩供一回埋管換熱器各供水支管沿埋管方向的單位軸向換熱量

1)當(dāng)?shù)叵滤疂B流為x方向時(shí)，地下水滲流對(duì)供水兩支管的影響程度相同，因此，管內(nèi)水溫及各供水支管與相應(yīng)巖土層的單位井深換熱量相同；地下水滲流x方向和y方向換熱量相差66 W.

2)當(dāng)?shù)叵滤疂B流為y方向時(shí)，in1位于地下水滲流上游，in2位于地下水滲流下游，地下水滲流對(duì)兩供水支管的影響程度不同，在含水層，in1與相應(yīng)巖土層的換熱程度較無(wú)地下水滲流時(shí)更大，換熱量更多，管內(nèi)水溫降得越多，熱量隨地下水流動(dòng)不斷從上游遷移到下游，抑制了in2與相應(yīng)巖土層的換熱，換熱量比無(wú)地下水滲流相應(yīng)減少.

由表3及圖8(c)，(d)可知以下2點(diǎn).

表3 三供一回埋管換熱器各供水支管沿埋管方向的單位軸向換熱量

1)當(dāng)?shù)叵滤疂B流方向?yàn)閤方向時(shí)，in1位于地下水滲流方向的上游，而in2，in3位于地下水滲流下游，在未經(jīng)過(guò)地下水層時(shí)，3根供水支管與土壤的換熱情況基本一致，而當(dāng)埋管經(jīng)過(guò)含水層時(shí)，換熱發(fā)生變化，地下水滲流促進(jìn)了in1與巖土層的換熱，使其換熱量增大，且隨著地下水的流動(dòng)，勢(shì)必會(huì)帶走土壤中的熱量，進(jìn)而影響下游土壤溫度波動(dòng)范圍及其與供水支管間的換熱.

2)當(dāng)?shù)叵滤疂B流方向?yàn)閥方向時(shí)，in2位于滲流方向的上游，而in1，in3分別處于土壤中的不同位置，受地下水影響程度也不相同，因此，3根供水各供水支管管段在經(jīng)過(guò)含水層時(shí)，與相應(yīng)的巖土層換熱量不同，水溫變化也有差別；地下水滲流x方向和y方向換熱量相差260 W.

表4 四供一回埋管換熱器各供水支管沿埋管方向的單位軸向換熱量

表5 五供一回埋管換熱器各供水支管沿埋管方向的單位軸向換熱量

由表4，5及圖8(e)，(f)，(g)，(h)可知：四供一回、五供一回埋管換熱器受地下水滲流方向的影響情況與三供一回埋管換熱器相似，當(dāng)?shù)叵滤疂B流方向不同時(shí)，各供水支管處于地下水滲流層中不同位置，受到的影響各不相同，各巖土層各供水支管段單位軸向換熱量均有差距；地下水滲流x方向和y方向?qū)λ墓┮换睾臀骞┮换芈窆軗Q熱器的換熱量相差分別為858，17 W.因此，當(dāng)供水管數(shù)量n≤4時(shí)，隨著n的增加，地下水滲流方向?qū)Χ喙┮换芈窆軗Q熱器的影響越大，當(dāng)n≥5時(shí)，地下水滲流方向?qū)Χ喙┮换芈窆軗Q熱器的影響逐漸減弱.

當(dāng)?shù)叵滤疂B流方向不同時(shí)，巖土分層條件對(duì)多供一回埋管換熱器供水支管產(chǎn)生的影響各有差異，各供水支管內(nèi)水與巖土體的軸向換熱量大小也不同.供水管數(shù)量相同的多供一回埋管換熱器中同一供水支管隨著地下水滲流區(qū)域上、下游位置的改變，受到的影響也發(fā)生改變.地下水滲流促進(jìn)位于上游區(qū)域的供水支管與土壤之間的換熱，抑制位于下游區(qū)域的供水支管與土壤之間的換熱.不同滲流方向下，各類(lèi)型的多供一回埋管換熱器均存在一個(gè)最佳滲流方向，使其與土壤之間的總換熱量最大，換熱效率最高.最佳滲流方向并不是固定的，不同供水管數(shù)量的多供一回埋管換熱器的最佳滲流方向不同，實(shí)際工程中，為了增強(qiáng)換熱能力，提高埋管換熱效率，可以依據(jù)最佳滲流方向安裝埋管換熱器.

2.3 間歇運(yùn)行模式

上文均是在夏季工況下連續(xù)運(yùn)行120 h后得出的結(jié)果，實(shí)際上，為了能夠優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況，需要給土壤一定的時(shí)間恢復(fù)溫度，使其處于冷熱平衡狀態(tài)，從而能夠真實(shí)地反映埋管與周?chē)寥赖膿Q熱情況.因此，需要考慮間歇運(yùn)行的影響.間歇運(yùn)行是指根據(jù)建筑環(huán)境中冷熱負(fù)荷分布的不固定性及地溫的可恢復(fù)性提出的高效利用地能的有效措施[22].根據(jù)房間功能的不同，設(shè)置的間歇運(yùn)行比也不同，按照辦公室的需求，設(shè)置間歇運(yùn)行比為8∶16(熱泵運(yùn)行時(shí)間為9：00-17：00).

供冷期系統(tǒng)間歇運(yùn)行120 h的埋管換熱器內(nèi)水溫度變化，如圖9所示.由圖9可知：雖然出口溫度不一致，但不同類(lèi)型埋管換熱器內(nèi)水溫變化呈現(xiàn)出相同的規(guī)律；當(dāng)埋管換熱器進(jìn)水溫度為300 K時(shí)，埋管換熱器內(nèi)水與分層土壤之間發(fā)生劇烈換熱，水溫開(kāi)始降低，周邊巖土體溫度相應(yīng)升高，土壤分層溫度分布不同于初始溫度分布；與連續(xù)運(yùn)行工況不同的是，進(jìn)水管內(nèi)水溫度并不是一直下降的，在下降到地下水滲流區(qū)域(即z為50～60 m)后，水溫與此時(shí)的巖土體溫度接近，埋管換熱器內(nèi)水與周?chē)鷰r土體不再發(fā)生換熱.

(a)二供一回埋管換熱器 (b)三供一回埋管換熱器

熱回流引起埋管換熱器與土壤之間的換熱效率降低，埋管換熱器的熱損失增大[8].熱回流現(xiàn)象產(chǎn)生的原因有2個(gè)：1)供回水管路之間的熱短路；2)供暖時(shí)，供回水管內(nèi)介質(zhì)被巖土體冷卻，供冷時(shí)，供回水支管內(nèi)介質(zhì)被巖土體加熱，這兩個(gè)過(guò)程對(duì)埋管換熱器都有著負(fù)面的影響.由于巖土體層與層之間的溫度不一致及地下水滲流的存在，管內(nèi)水溫沿深度方向變化出現(xiàn)極小值.但是在地下水滲流區(qū)域，流動(dòng)的地下水能很快帶走周?chē)寥婪e攢的熱量，因此，雖管內(nèi)水溫度達(dá)到最低，但是含水層附近的土壤溫度波動(dòng)幅度不大.間歇運(yùn)行模式及地下水的存在能快速帶走熱量，這是管內(nèi)水溫度保持不變的主要原因.當(dāng)流體繼續(xù)下降，此時(shí)，管內(nèi)水溫度低于周?chē)寥罍囟龋l(fā)生熱回流現(xiàn)象，造成出水溫度升高，換熱效率降低.含水層區(qū)域下的埋深即為無(wú)效埋深.

3 結(jié)論

1)實(shí)際工程中，地下巖土體并不是由單一的物質(zhì)組成，而是分層的，每層的物性不同.隨著深度的不同，每一層土壤的溫度也不同，換熱過(guò)程中豎直方向必然會(huì)有傳熱現(xiàn)象發(fā)生.將土壤初始溫度設(shè)置為恒定值，這會(huì)導(dǎo)致模擬的出水溫度較真實(shí)情況偏小，總換熱量相差達(dá)到220.16 J，誤差率達(dá)到2.48%.因此，土壤深度不同，初始溫度分層的現(xiàn)象不可忽略.

2)在換熱過(guò)程中，地下水流動(dòng)抑制熱量向上游傳遞，增強(qiáng)向下游的熱量傳遞；地下水滲流方向?qū)Σ煌?lèi)型的多供一回地埋管供水支管的影響不同.對(duì)比分析了地下水滲流方向?yàn)閤，y方向，兩供一回埋管換熱器，三供一回、四供一回、五供一回埋管換熱器換熱量分別相差66，260，858，17 W.當(dāng)供水管數(shù)量n≤4時(shí)，不同方向?qū)Χ喙┮换負(fù)Q熱器換熱的影響隨著供水管數(shù)量的增加而增加，存在一個(gè)最佳滲流方向.兩供一回、四供一回、五供一回埋管換熱器的最佳滲流方向是x方向，三供一回埋管換熱器的最佳滲流方向?yàn)閥方向.當(dāng)供水管數(shù)量n≥5時(shí)，隨著多供一回供水管數(shù)量的增加，地下水滲流方向?qū)β窆軗Q熱器的影響逐漸減小.工程中可按照最佳地下水滲流方向安裝埋管換熱器，以此增大埋管換熱量，提高熱泵的運(yùn)行效率.

3)對(duì)不同數(shù)量供水管的多供一回埋管換熱器進(jìn)行了120 h的間歇運(yùn)行模擬，得到多供一回埋管換熱器內(nèi)水溫度沿埋管深度的變化與連續(xù)運(yùn)行時(shí)不一致，埋管換熱器內(nèi)的水溫度會(huì)在地下水滲流層區(qū)域(z為50～60 m)達(dá)到最低值，再繼續(xù)向下發(fā)生熱回流現(xiàn)象，從土壤中吸收熱量，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低.因此，含水層區(qū)域下的埋深即為無(wú)效埋深.基于提高換熱效率和減少埋管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的初投資，可以減小埋管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，埋深到地下水層深度即可.

4)模擬間歇運(yùn)行比為8∶16的多供一回埋管換熱器間歇運(yùn)行的換熱情況，不同功能區(qū)間歇運(yùn)行比不同，因此，可進(jìn)一步分析不同間歇比對(duì)埋管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的影響.