垂直U型埋管換熱器全年試驗分析及模擬★

胡 寧 王晏平 李雪飛

(安徽建筑大學，安徽 合肥 230601)

·水·暖·電·

垂直U型埋管換熱器全年試驗分析及模擬★

胡 寧 王晏平 李雪飛

(安徽建筑大學，安徽 合肥 230601)

通過分析，建立了120 m深垂直U型埋管換熱器及土壤溫度場的數學模型，并就典型氣候條件下換熱器的換熱性能及周圍土壤溫度場的變化情況進行了實測分析及數值模擬，為夏熱冬冷地區地埋管換熱器系統的設計、施工提供一定參考。

地源熱泵系統，垂直U型地埋管換熱器，模擬，ANSYS

0 引言

地源熱泵系統和常規空調系統最大區別在于多了一個地埋管換熱器，而我國大部分區域空調夏季冷負荷往往大于冬季熱負荷，在這種情況下，地埋管換熱器周圍容易出現冷熱量不平衡，系統運行若干年以后，換熱器周圍土壤溫度升高，雖有利于冬季運行，但對系統在夏季運行不利，甚至出現系統不能運行[1，2]。基于此，本文試驗分析合肥地區典型工作條件下垂直單U型埋管換熱器的運行性能及換熱器周圍土壤溫度變化情況，并進行數值模擬分析，為夏熱冬冷地區實際工程提供一定的參考。

1 模型建立

1.1 物理模型

換熱器與其周圍土壤傳熱過程可視為在半無限大介質中與土壤進行熱量交換的過程，基于此，其傳熱采用線熱源模型。

1.2 數學模型

1)換熱器內流體傳熱方程。

(1)

其中，Tf為換熱器內流體溫度，℃；u為換熱器內流體速度，m/s；Tp為換熱器管壁溫度，℃；α為管壁與換熱器內流體對流換熱系數，W/(m·℃)；ρf為流體密度，kg/m3；cf為流體比熱容，J/(kg·℃)。

2)U型管壁導熱。

(2)

其中，Tp為管壁溫度，℃；ρp為管壁密度，kg/m3；cp為管壁比熱容，J/(kg·℃)；λp為管壁導熱系數，W/(m·℃)。

3)回填材料導熱。

(3)

其中，Th為回填材料溫度，℃；ρh為回填材料密度，kg/m3；ch為回填材料比熱容，J/(kg·℃)；λh為回填材料導熱系數，W/(m·℃)。

4)土壤導熱。

(4)

其中，Ts為土壤溫度，℃；ρs為土壤密度，kg/m3；cs為土壤比熱容，J/(kg·℃)；λs為土壤的導熱系數，W/(m·℃)。

5)初始條件。

t=0，Tf=Tp=Th=Ts=T0，T0為換熱器周圍土壤的初始溫度。

6)邊界條件。

(5)

(6)

(7)

(8)

遠邊界層：

T∞=Ts=T0

(9)

(10)

7)流體進口。

Tf(z=0)=Tfin

(11)

2 試驗

試驗地埋管換熱器打井相對位置如圖1所示，其中1～4為運行井，井深120 m，a～f為測試井，井深100 m。打井孔徑均為110 mm，U型管采用DN25高密度聚乙烯管。

2.1 取熱工況

試驗開始階段對地溫進行了測量，所測數據如圖2所示。

經過對系統的調試，綜合系統壓降等因素選取0.6 m/s作為試驗流速，熱泵機組連續運行，運行一段時間后，地埋管進出口水溫逐漸趨于平緩，如圖3所示。單位井深換熱量、系統COP及進出口水溫變化分別見圖4，圖5。

由圖3～圖5可看出，開始運行時換熱器進出口水溫均降低，運行一段時間后基本達到穩定，進出口水溫差也基本達到穩定。數據分析得到換熱器的單位井深換熱量為60.1 W/m，系數COP平均值4.3 W/W。

2.2 放熱工況

7月20日～26日進行了土壤原始地溫測試，如圖6，圖7所示。

由圖8～圖10可看出，系統開始運行時，換熱器進、出口水溫均有較大幅度上升，運行約8 h后，進、出口水溫差基本趨于穩定值。系統運行后的第5天，測得單位井深換熱量比第1天減少了2 W/m。整個運行階段單位井深換熱量為79.3 W/m，系統COP平均值2.95。

2.3 數值模擬分析

盡管換熱機理一樣，但不同季節地埋管換熱器與其周圍土壤的換熱情況有所不同，而地源熱泵系統的關鍵問題在于系統運行若干年后地下土壤是否能夠保持熱平衡。根據實驗模型，模擬地源熱泵在運行一個冬季和夏季后換熱器周圍土壤溫度變化情況，模擬結果如圖11～圖14所示。由圖11～圖14可以看出，系統運行若干年后，換熱器周圍土壤溫度均有升高。運行1年后，換熱器周圍土壤溫度升高了1.1 ℃，運行5年后，土壤溫度升高了3 ℃。可見，在供冷負荷大于供熱負荷的地區來說，單純采用地埋管換熱系統會導致地下土壤出現熱不平衡，存在一定熱堆積現象。

3 結語

通過試驗及模擬分析得到，系統運行若干年后，地埋管換熱器周圍土壤溫度有所升高，第5年運行結束后，土壤溫度上升了3 ℃，地下存在一定熱堆積。因此，工程設計中應考慮采用其他方法保證地下冷熱量達到平衡，具體做法有：

1)采用混合式系統。冬季采用熱負荷埋管，夏季采用冷卻塔輔助散熱。埋管分區域連接，并且與機組相對應，主機選型采取“熱泵機組+單冷機組”形式。對于重要建筑，主機可以全部選用熱泵機組，并且每臺機組都配以冷卻塔，相對來說，這增加了初投資，但保證了系統的夏季運行。2)當埋管面積較大，且冷熱負荷不大時，可以采取按負荷較大者確定地埋管數量，此種埋管方式適合于別墅類小型建筑。3)本文并未考慮地下水滲流等因素對換熱結果的影響，此方面工作有待進一步開展。

[1] 李新國.埋地換熱器內熱源理論與地源熱泵運行特性研究[D].天津:天津大學,2004.

[2] 宋著坤,趙 軍，李新國，等.地源熱泵冬夏兩季運行性能分析與實驗研究[J].流體機械,2006,34(2):55-57.

[3] 趙桂章，浦培林，周遵凱.地源熱泵的發展現狀及新方法研究[J].山西建筑，2013，39(7)：124-125.

ExperimentalandsimulantstudyonverticalU-tubeundergroundheatexchanger★

HUNingWANGYan-pingLIXue-fei

(AnhuiJianzhuUniversity，Hefei230601，China)

A 120 meters vertical U-tube heat exchanger was theoretically analysed, the mathematic model of heat exchanger was established.It experimentally studies heat transfer performance of the Ground Heat Exchange(GHE) and the surround temperature distribution under continuous operation modes in the typical climate. Last, the finite element analysis software ANSYS was used to simulate the long-time operation mode of the GHE, which affords reference to the construction of the GSHP system.

Ground-Source Heat Pump, vertical U-tube underground heat exchanger, simulation, ANSYS

1009-6825(2014)33-0112-03

2014-09-13

胡 寧(1981- )，男，碩士，助教； 王晏平(1959- )，男，副教授； 李雪飛(1980- )，男，碩士，助教

TU833

：A

★：安徽建筑大學校青年科研專項項目“大規模地源熱泵在合肥地區應用可行性研究”支持(項目編號：2012nyjy-校青年-06)