尹春亞

沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院（110168）

0 引言

地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，地源熱泵作為冷熱源系統(tǒng)具有綠色和高效兩大優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而取放熱的收支不平衡導致長期運行后，作為冷熱源的埋管周圍土壤溫度會逐年降低而形成能量堆積，最終導致地源熱泵機組運行效率降低，從而失去土壤源熱泵具有的節(jié)能優(yōu)勢[2]。埋管區(qū)域土壤吸放熱量差和鉆孔間距是造成換熱效果下降最主要的因素。土壤吸放熱量差異雖然是造成土壤熱堆積問題的根本原因，但對于特定項目是不易改變的客觀因素，而鉆孔間距作為另一個重要參數(shù)在設(shè)計時可以靈活改變，且鉆孔間距設(shè)置是否合理對埋管區(qū)域土壤熱堆積問題有很大影響[3]。在條件允許的情況下，可以適當增大管間距來緩解土壤熱干擾的問題[4]。增大鉆孔間距可以減少土壤溫度變化幅度[5]。文章選用有限長線熱源模型，通過建立地源熱泵傳熱模型，用數(shù)值模擬方法討論了不同管間距對地埋管換熱器工作性能的分析。以夏季工況為研究工況，模擬了夏季運行2個月的工作情況。分別模擬了均勻土壤模型和考慮土壤分層的條件下4 m、5 m、6 m、7 m管間距，土壤做分層處理時，假設(shè)土壤上部30 m是砂，下部50 m是泥。分析地源熱泵夏季運行工況運行30 d和運行60 d后土壤溫度變化情況。對土壤源熱泵工程設(shè)計中鉆孔間距對地埋管傳熱的影響進行研究，為土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計與研究提供理論依據(jù)[6]。

1 模型的建立

采用等效直徑模型對其進行模擬計算，U型管單根等效直徑為40 mm，采用非均勻負荷數(shù)值模型考慮流體從埋管上部流入、下部流出。

假設(shè)土壤結(jié)構(gòu)均勻，土壤中砂或泥的熱傳導公式通過下式計算:

其中，λk，ρk和cp，k分別表示砂（k=s）和泥（k=n）的導熱系數(shù)（W/m·℃）、密度（kg/m3）以及比熱容（J/kg·℃）。

模擬采用絕熱邊界條件，考慮到埋管傳熱過程有一定輻射范圍，固將模擬區(qū)域設(shè)置地較大，防止邊界溫度變化。模擬工況詳細參數(shù):水以15℃為特征溫度，導熱系數(shù)為0.587 W/(m2·K)，比熱容為4.217 kJ/kg·℃)，密度為1 000 kg/m3。土壤溫度均勻為15.6℃。土壤的主要成分為砂與泥的混合物，其中砂的導熱系數(shù)為1.587 W/(m·K)，比熱容為1.798 kJ/(kg·℃)，密度為1 285 kg/m3；在泥的導熱系數(shù)為0.682 W/(m·K)時，比熱容為1.439 kJ/kg·℃)，密度為1 430 kg/m3。在文章中均勻土壤假設(shè)土壤的主要成分唯一為砂，分層土壤假設(shè)土壤上部30 m是砂，下部50 m是泥，分別討論不同管間距對換熱性能影響。入水口水溫為25℃，鉆孔深度80 m。因管壁導熱系數(shù)遠大于混合物土壤的導熱系數(shù)，故忽略了管壁的熱阻。

2 模擬結(jié)果分析

本節(jié)以夏季工況為研究工況，模擬了均勻土壤和分層土壤在管間距分別為4 m、5 m、6 m、7 m時夏季工況運行30 d的土壤溫度變化情況。

管間距為4 m土壤未分層時當運行達到30 d，管間熱干擾現(xiàn)象明顯，管間土壤溫度基本與入水口溫度一致，此時埋管傳熱影響周圍2 m土壤。當夏季工況結(jié)束時，管間土壤已與進口水溫一致，埋管最大影響范圍確定為3.5 m。土壤分層運行達到30 d時，兩管間發(fā)生明顯熱干擾，此時熱分層現(xiàn)象開始模糊。當夏季工況結(jié)束時，管間熱干擾現(xiàn)象強烈，熱分層現(xiàn)象幾乎消失，這是因為土壤溫度場達到穩(wěn)態(tài)，管間與管側(cè)導熱現(xiàn)象發(fā)展充分，管間土壤溫度明顯高于管側(cè)土壤溫度，管間土壤溫度為19℃。當管間距增加為5 m時埋管傳熱影響周圍1.7 m土壤。埋管最大影響范圍確定為4.8 m。當夏季工況結(jié)束時，管間土壤溫度為18℃。管間距為6 m時管間土壤溫度16.4℃。當夏季工況結(jié)束時，管間熱干擾現(xiàn)象加強，管間土壤溫度明顯高于管側(cè)土壤溫度，管間土壤溫度為17.3℃。土壤分層運行前期溫度分層明顯。當夏季工況結(jié)束時，管間土壤溫度為17℃。土壤未分層當運行達到30 d時，管間土壤溫度16℃。當夏季工況結(jié)束時，管間熱干擾現(xiàn)象加強，管間土壤溫度明顯高于管側(cè)土壤溫度，管間土壤溫度為17℃。管間距7 m時，相鄰兩管周圍分層土壤溫度變化趨勢。當運行達到30 d時兩管間未發(fā)生熱干擾現(xiàn)象，且溫度分層明顯。運行達到60 d時，兩管間開始發(fā)生熱干擾，當夏季工況結(jié)束時，管間土壤溫度為16.8℃。

分析可知當?shù)芈窆荛g距4 m時，在運行初期，土壤平均溫度上升較慢，經(jīng)過約200 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結(jié)束時土壤平均溫度達到18.3℃。分層土壤平均溫度在運行初期，土壤平均溫度上升較慢，經(jīng)過約160 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結(jié)束時土壤平均溫度達到18.15℃。與未分層土壤相比較，溫度上升的轉(zhuǎn)折點發(fā)生更早，而土壤平均溫度相差0.05℃，由此可以證明兩種模型在傳熱現(xiàn)象充分發(fā)展的前提下可以達到一致結(jié)果。地埋管間距5 m時夏季工況土壤平均溫度變化曲線，在運行初期，土壤平均溫度上升較慢，經(jīng)過約120 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結(jié)束時土壤平均溫度達到19.2℃。地埋管間距5 m時經(jīng)過約100 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結(jié)束時土壤平均溫度達到19.15℃。與均勻土壤材料相比，當溫度場達到穩(wěn)態(tài)時，土壤平均溫度略低。地埋管間距6 m時經(jīng)過約90 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結(jié)束時土壤平均溫度達到20.4℃。土壤分層在夏季工況運行結(jié)束時土壤平均溫度達到20.3℃。地埋管間距7 m時經(jīng)過約50 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結(jié)束時土壤平均溫度達到21.6℃。土壤分層時經(jīng)過約10 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結(jié)束時土壤平均溫度達到21.61℃。

3 結(jié)論

綜上模擬結(jié)果，由于模擬區(qū)域體積大小相等，所以當管間距較小時管間會產(chǎn)生明顯的熱干擾現(xiàn)象，而熱干擾現(xiàn)象會降低換熱效率，導致夏季工況結(jié)束時最終土壤平均溫度較低。此外，當土壤溫度呈線性增長時溫度上升最快，所以減少溫度平緩上升時間也有助于土壤溫度升高，從這個角度來看管間距越大越好。而事實上，當管間距從4 m增加到6 m是土壤最終平均溫度上升明顯，而當管間距增加到7 m時土壤平均溫度上升速度減緩，綜合考慮投資和土地有效利用率，在此模擬工況下，管間距為6 m是最佳選擇。根據(jù)分層土壤結(jié)構(gòu)模型與均勻土壤結(jié)構(gòu)模型模擬結(jié)果可知，當傳熱效果未充分發(fā)展時，土壤溫度場分層明顯，當傳熱充分時，兩種傳熱模型的最終平均土壤溫度基本相同。此外分層土壤結(jié)構(gòu)中土壤溫度上升轉(zhuǎn)折點更早出現(xiàn)，但最終土壤平均溫度往往低于均質(zhì)模型。當研究溫度場分層現(xiàn)象對地源熱泵效率影響問題時，分層土壤模型能帶來更清晰明顯的結(jié)果。類比均勻土壤模型，當采用分層土壤結(jié)構(gòu)模型仍能得到6 m管間距是最佳管間距離。