滲流對地下?lián)Q熱器傳熱影響的研究

文/王開材 江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司 江蘇南京 210028

滲流對地下?lián)Q熱器傳熱影響的研究

文/王開材 江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司 江蘇南京 210028

本文利用有限元軟件，構(gòu)建U型埋管換熱器的傳熱模型，模擬長期運行情況下的冬夏季傳熱分析，分析地下水滲流、地下水滲透流速對換熱的影響。得出如下結(jié)論：地下水滲流的存在，可以明顯的改變溫度場的分布形式，有利于熱量的散發(fā)。滲流流速越大越有利于熱量的散失，從而使得埋管周圍的熱量得到及時的散失，可以有效的減少熱量累積效應(yīng)。

埋地換熱器；溫度場；滲流場；數(shù)值模擬

1、引言

地源熱泵是一種高效、節(jié)能環(huán)保，有利于可持續(xù)發(fā)展的空調(diào)方式，地源熱泵技術(shù)為解決能源危機和環(huán)境污染這兩個困擾我國發(fā)展的重大問題、為我國的可持續(xù)發(fā)展帶來了契機，地源熱泵技術(shù)在中國有廣闊的發(fā)展情景。

90年代以來，在國家自然科學(xué)基金委員會的資助下，國內(nèi)開始的對土壤源熱泵開展基礎(chǔ)性的研究工作，主要集中在地?zé)崮軗Q熱器的換熱機理、強化換熱及熱泵系統(tǒng)與地?zé)崮軗Q熱器匹配等方面。與前一階段單純采用“線源”傳熱模型不同，最新的研究更多地開始關(guān)注相互耦合的傳熱、傳濕模型以更好的模擬地?zé)崮軗Q熱器的真實換熱情況；因為導(dǎo)熱過程也受土壤水特性的影響，對此，國內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法做了研究[1-6]。

豎直埋管的深度可達40—200m，實際上在其穿透的地層中或多或少地都存在著地下水的滲流。尤其是在地下水豐富的粗沙礫地層中甚至有地下水較顯著的流動。地下水的滲流有利于地?zé)釗Q熱器的傳熱，也有利于減弱或消除由于地?zé)釗Q熱器全年吸放熱不平衡而引起的熱量累積效應(yīng)，因此能夠減少地?zé)釗Q熱器設(shè)計容量。方肇洪等人根據(jù)多孔介質(zhì)中有滲流時的能量方程，解析求解得到了有均勻滲流時線熱源引起的二維溫度響應(yīng)[7-9]。可見，目前還主要集中在數(shù)值模擬的方法上，缺少實驗方面的證實。而熱物性是反映熱狀況特征的參數(shù)，因此實驗研究滲流速度對熱物性的影響同樣重要。國內(nèi)關(guān)于地下埋管換熱器的傳熱研究大都基于單一的傳熱理論，本課題將研究地下水和熱傳導(dǎo)共同作用下的土壤溫度場的變化規(guī)律。

2、地下?lián)Q熱器傳熱模型的建立

地源熱泵的核心問題集中在埋管換熱器與周圍土壤間的耦合關(guān)系上，涉及到換熱器與土壤兩個方面。1948年Ingersoll等人發(fā)展了Kelvin的線熱源理論，目前大多數(shù)地源熱泵設(shè)計是利用該理論為基礎(chǔ)，該理論作了如下假設(shè)：土壤初始溫度均勻，線熱源熱流恒定，換熱器與土壤之間只有徑向的純導(dǎo)熱，忽略土壤熱濕遷移，土壤為各向同性，熱物性參數(shù)為常數(shù)。

2.1地下?lián)Q熱器傳熱模型的簡化

常見的換熱埋管有水平敷設(shè)和垂直敷設(shè)兩種[10]，由于垂直敷設(shè)占地面積小、單位長度換熱率大，所以大多數(shù)的設(shè)計者大都選用垂直U型管敷設(shè)方式。垂直U型管地下?lián)Q熱器埋管一般由直徑為19～31.7mm塑料管[11]中間彎成U型垂直插入孔中構(gòu)成，文中要建立與實際U型管等效的幾何模型，將U型管等效為圓柱熱源主要是為了求解的方便，便于數(shù)學(xué)描述和求解，如圖1所示。

圖1 當(dāng)量直徑單管模型示意圖

本模型包括的幾何體有U型管內(nèi)的水、U型管、回填土、土壤。U型管在豎井中，豎井與模擬范圍內(nèi)的土壤可看成是圓柱體和長方體。本文所模擬的U型管內(nèi)徑為25mm，外徑為32mm，埋深為80m，兩支管腿中心距為180mm，豎井直徑為300mm，土壤采用8m*8m*80m的長方體。

2.2模型網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分的原則是在溫度場和速度場變化劇烈的地方密集劃分網(wǎng)格，而在溫度場和速度場變化緩慢的地方疏松劃分網(wǎng)格[12]。由于地下?lián)Q熱器傳熱過程中，溫度沿徑向變化較大，而沿深度方法變化緩慢，故在水平方向上密集布置網(wǎng)格，而在豎直方向上疏松布置網(wǎng)格，并在水平方向上，對U型管周圍網(wǎng)格進行了局部加密，如圖2所示。

圖2 U型管網(wǎng)格分布圖

2.3初始、邊界條件的確定

（1）初始條件如下：

初始時刻：大地為原始地溫，根據(jù)現(xiàn)場實地勘察溫度取為T0=20℃；入口水溫根據(jù)規(guī)范要求確定，冬季取為5℃，夏季取為40℃[13]。

由于實際中地下水滲流速度非常小，其每秒滲流的速度數(shù)量級通常是在：10-6～10-7（m/s）左右，所以在沿Y方向上分別設(shè)定：不計管道、鉆孔及外圍巖土的接觸熱阻。

外圍巖土物性(含地下水)：粉質(zhì)黏土(含水量25%)，導(dǎo)熱系數(shù)：1.2W/(m.K)，比熱容1000J/kg.K，密度：1925kg/m3。

管材選用高密度聚乙烯：比熱容2292.4J/ kg.K，密度：965kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)：0.517W/(m.K)。

管道內(nèi)換熱流體選用水，流速取0.6m/s，符合中華人民共和國國家標準《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》GB-50366-2005中單U型管管內(nèi)流速不小于0.6m/s且不大于1.2m/s的要求。

3、 結(jié)果分析

在有滲流的情況下，土壤的傳熱方式有兩種：（1）多孔介質(zhì)固體骨架和孔隙中水的導(dǎo)熱（2）土壤中水滲流產(chǎn)生的對流換熱。

3.1冬夏季連續(xù)運行工況下的結(jié)果分析

為了研究土壤中水的滲流對土壤中溫度場的影響，本論文模擬了系統(tǒng)冬、夏季連續(xù)運行90天，有滲流兩種工況地下埋管的傳熱情況，如圖3、圖4所示。

圖3 夏季有滲流情況下連續(xù)運行三個月埋管周圍溫度分布圖

圖4 冬季有滲流情況下連續(xù)運行三個月埋管周圍溫度分布圖

從圖中可以看出，有滲流的土壤溫度場發(fā)生了偏移。夏季有滲流時，埋管周圍溫度低于無滲流時的情況。對于地源熱泵，熱作用半徑越小，在相同面積土壤范圍內(nèi)，可以埋設(shè)更多的地下?lián)Q熱器，提高了土壤的利用價值；埋管周圍溫度越低，越有利于地下埋管的換熱，可見滲流有利于地下?lián)Q熱器的運行。滲流對地下?lián)Q熱器傳熱有很大影響，是不可忽略的問題。

冬季運行情況下，有滲流土壤埋管周圍溫度較高，熱量可以很好的從周圍土體得到補充，冷量可以得到及時的擴散；而對于無滲流土壤，冷量在埋管周圍不能很快的擴散，導(dǎo)致埋管周圍土壤的溫度較低，不利于埋管換熱的有效進行。夏季運行情況下，有滲流土壤周圍埋管溫度較低，冷量可以很好的從周圍土體得到補充，熱量可以得到及時的擴散；而對于無滲流土壤，熱量在埋管周圍不能及時的擴散，導(dǎo)致埋管周圍土壤溫度較高，不利于埋管換冷的運行。

3.2滲透流速的影響分析

在其它因素不變的情況下，選取1e-10m/ s、1e-9m/s、1e-8m/s、1e-7m/s、1e-6m/ s、1e-5m/s六組滲透流速進行傳熱分析，溫度分布如圖5所示。

圖5 各種滲透流速下的溫度分布圖

由圖可以看出滲流流速越大，迎水側(cè)的熱作用半徑越小，而被水側(cè)的熱作用半徑越大，埋管周圍溫度變化越小，使得管內(nèi)流體與土壤的溫差越大，此外地下水的流動可以使埋管周圍累積的熱量得到及時的擴散，從而有利于埋管換熱。地源熱泵建造的前期水文勘察工作十分重要，準確的勘察工作可以為后期建設(shè)起到良好的指導(dǎo)作用，減少埋管的埋設(shè)長度，節(jié)省初投資，從而為建筑節(jié)能起到良好的效果。

結(jié)論：

本文通過對埋地換熱器地下?lián)Q熱的數(shù)值模擬得出如下結(jié)論:

(1)地下水滲流的存在,可以明顯的改變溫度場的分布形式,有利用熱量的散發(fā)。無地下水滲流影響的埋管周圍溫度場為中心對稱的圓形,而有地下水滲流影響的埋管周圍溫度場為偏向被水側(cè)的橢圓形；無地下水滲流影響的埋管周圍溫度作用半徑明顯的小于有滲流影響的溫度作用半徑。

(2)地下水滲透流速越大，迎水側(cè)的熱作用半徑越小，而被水側(cè)的熱作用半徑越大。滲流流速越大越有利于熱量的散失，從而使得埋管周圍的熱量得到及時的散失，可以有效的減少熱量累積效應(yīng)。

[1]雷志棟，楊詩秀，謝森傳.土壤水動力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[2]Wierenga P J, Nielsen D R, Jagan R M. Thermal Properties of a Soil Bases upon Field and Laboratory Measurements[J].Soil Sci Soc Am Proc,1969,33：354-360.

[3]Parikh R J, Havens J A, Scott H D. Thermal Diffusivity and Conductivity of Moist Porous Media[J].Soil Sci Soc Am J,1969,43:1050-1052.

[4]Ghuman B S, Lal R. Thermal Conductivity，Thermal Diffusivity，and Thermal Capacity of Some Nigerian Soils[J]. Soil Science,1985,139(1)：74-80.

[5]韓吉田，歸柯庭，施明恒.恒熱流法同時測定土壤熱質(zhì)擴散系數(shù)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1997,13(3)：247-248.

[6]Persand N,Chang A C. Computing Mean Apparent Soil Thermal Diffusivity from Daily Observations of Soil Temperature at Two Depths[J].Soil Sci,1985,139(4)：297-304.

[7]刁乃仁，李琴云，方肇洪.有滲流時地?zé)釗Q熱器溫度響應(yīng)的解析解[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報,2003,18（3）：1-5.

[8]方肇洪，刁乃仁.地?zé)釗Q熱器的傳熱分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2004, 23(1)：11-20.

[9]范蕊，馬最良.熱滲耦合作用下地下埋管換熱器的傳熱分析[J].暖通空調(diào),2006，36(2):6-9.

[10]王金香.多孔介質(zhì)土壤熱滲耦合模型及埋管周圍土壤溫度場數(shù)值模擬研究[M].大連：大連理工大學(xué),2006.

[11]Rottmayer S P,Beckman W A,Mitchell J W. Simulation of a Single Vertical U-Tube Ground Heat Exchanger in an Infinite Medium[J]. ASHRAE Transactions, 1997, 103(2):651-659.

[12]王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CED軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[13] GB50366-2005.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局(SBTS),2005.

TU43