地下水滲流對埋管換熱器換熱影響的研究進展

宮克勤，劉雨艷

（東北石油大學，黑龍江大慶163318）

地下水滲流對埋管換熱器換熱影響的研究進展

宮克勤，劉雨艷

（東北石油大學，黑龍江大慶163318）

以太陽能、地熱能為代表的可再生能源部分代替鍋爐已成為不可阻擋的發展趨勢。介紹了土壤源熱泵豎直埋管換熱器的幾種傳熱模型的適用狀況，同時對于地下水如何影響地埋管換熱器換熱進行了分析，最后提出了可進一步研究的內容。

地下水滲流;地埋管換熱器;傳熱模型

人類對化石能源枯竭、生態環境惡化和資源安全利用的擔憂導致對清潔、可再生能源的迫切需求下，土壤源熱泵系統以其高效、節能、環保及可持續發展性在國內外得到廣泛的關注與應用[1]。土壤是一種集固態、液態以及氣態三相于一體的含濕多孔介質體系[2]，據此可知，土壤中的熱量傳遞不單單局限于導熱方式上，還有相變換熱以及水分遷移等復雜的傳熱方式，這都會對地下換熱器的設計帶來了巨大的困難，為了埋地管換熱器達到最佳經濟適用性，國內外研究學者就地下水滲流對地埋管換熱器換熱影響因素進行了系統性研究，本文對研究成果及現狀進行了梳理，為后續深入研究提供借鑒與參考。

1 地埋管換熱器傳熱模型

1.1 熱濕傳遞線熱源模型

由于地下環境復雜，土壤中的水分存在遷移、凍結及隨大氣溫度、太陽輻射等規律波動影響，不考慮這些實際問題的純導熱模型會使設計的盤管長度比實際需要得長，造成浪費。根據開爾文線熱原理論及質量與能量守恒定律，可構造出飽和土壤與飽和土壤中垂直埋管換熱器的一維線源熱濕傳遞模型[3,4]，這種模型可說明土壤傳熱受到其含水率以及熱物性等因素的影響，使線性源模型具備更高的計算精度。

1.2 變熱流線熱源模型

地下埋管換熱器從土壤中取、放熱是隨建筑物負荷變化而動態改變的，常熱流是對建筑物熱負荷不變的一種假設，為更好的研究這種變化用變熱流代替原本的常熱流，但這種改變不好實現。為此我們引進與實際負荷比較接近的變熱流是隨時間變化的“階躍”熱流，并將其應用到實際的工程中。階躍熱流是將隨時間變化的建筑物負荷看作許多線性分段式熱流疊加后的熱作用總和。此線熱源的解通過加入躍階負荷和疊加原理，可以得到不同時刻不同的階躍熱流在土壤中的溫度響應[5]。

考慮地下水滲流的地埋管傳熱模型能更精確地描述地埋管換熱的實際工況，但計算繁瑣耗時，為提高計算速度提出了g-函數解析解[6]，該解析解在保證計算精度的同時，顯著的提高了計算速度。這樣運用疊加原理分析在階躍熱流作用下，研究了地下水滲流對地埋管換熱工況的影響，并得到地下水可以改善換熱工況這一結論。

1.3 鉆孔內外耦合傳熱模型

地下水滲流及其周圍土壤物性對地埋管換熱器內流體的影響，直接關系到地源熱泵機組的效率。因此，在保持入口參數不變的條件下，監測其出口溫度并進行分析，將可為設計提供理論依據。通過對同一種參數的埋管入口流體條件下各個土壤埋管里出口流體的溫度展開分析會對設計提供理論依據。

在模擬過程中，需建立埋管內外耦合傳熱模型來加以分析，由于鉆孔內的流體和回填材料的熱容遠遠小于周圍土壤的熱容，則可把鉆孔內埋管中流體的傳熱方式看作是穩態的。鉆孔外的移動線熱源是以格林函數為基礎，結合鉆孔三維傳熱模型，考慮埋管軸向導熱和滲流的影響的條件下，以鉆孔壁溫度為耦合點，建立地埋管鉆孔內外非穩態耦合傳熱的解析模型[7]，為地埋管換熱器的準確設計和長期運行性能分析提供分析方法。

1.4 土壤分層式線熱源模型

由于地埋管換熱器在豎直方向溫度變化不明顯可忽略，則應考慮其橫向作用。而地下土壤的組成為各種土質的土壤層，不同土質土壤層的熱物性以及傳熱性能各不相同[8]。不飽和的淺層土壤只有熱濕傳遞這個影響因素，而飽和區域土壤有著明顯的地下水，只需考慮對流傳熱的影響[9]。

土壤分層式線熱源模型[10]全面分析了土壤沿深度方向的分層情況以及土壤的熱物性沿深度方向變化等影響因素[8]。在分析過程中，假設地層沿豎直方向分層，且層內巖土均勻；在含地下水的地層中，滲流速度穩定且只考慮對流換熱的影響。

2 地下水滲流對地埋管換熱器的影響

2.1 含濕量對土壤熱濕遷移的影響

非飽和區土壤里的傳熱過程屬于一種復雜的熱力過程，它的建立基于溫度梯度和濕度梯度相互協作熱量傳遞和水分遷移的基礎上[11]。據相關研究可知，依靠熱作用，土壤里的水分會從高溫區遷移到低溫區，導致土壤濕度場發生不同程度上的變化，而這個變化程度與換熱器溫度和土壤熱物性是分不開的[12]。

當熱量集中涌向鉆孔壁時，濕份開始逐漸遠離鉆孔壁向外遷移，相應的鉆孔周圍土壤的含濕量降低，濕度梯度將逐漸變小[13]。基于定熱流的作用，濕份遷移主要積聚在鉆孔壁周圍，距離鉆孔壁越近的土壤其含濕量降低的越大。初始含濕量不同時，濕度降低的幅度不同。含濕量越小，鉆孔壁濕度變化幅度越顯著的[14]。從地埋管換熱器的角度出發，發生于土壤里的換熱現象的驅動力來源于埋管流體與鉆孔壁之間的溫差，因此，換熱效率在很大程度上取決于鉆孔壁溫度的變化。

土壤向周圍排熱時存在一個初始含濕量的臨界值，當含濕量大于臨界值時，將沒有明顯的濕份遷移，因此土壤熱物性幾乎不會受到濕份遷移的干擾，為了簡化，可將土壤的比熱容系數以及導熱系數視為常數；若含濕量小于臨界值，在不斷排熱的條件下，濕份遷移會嚴重影響著鉆孔壁周邊土壤的熱物性，此時應用熱濕遷移模型進行計算，否則會有很大的誤差[15]。

2.2 滲流速度對地下溫度場的影響

處于地下水位線以下的埋管區域，周邊土壤皆為飽和狀態，這將導致其導熱系數降低，從而對流換熱占主導地位使土壤的傳熱能力大大增強[16]。在不考慮垂直影響時，地下水橫流成為影響土壤傳熱的主要因素，土壤熱濕遷移作用變弱，因此模擬時不予以考慮。不同滲流速度下，地埋管雖然處于不同的土壤里，但是與周圍土壤換熱規律相同，滲流速度愈大，則呈現出愈大的換熱量，熱流量也隨土壤的導熱系數增加而遞增，滲流的存在對土壤的換熱效果起了增強作用[11,16,17]。

相比較于無滲流工況，存在滲流工況下的土壤熱容量大，對單位體積土壤所能提供的熱量也越大，從而會使土壤中的溫升變化慢，大大增加了土壤與換熱量[16-19]。在地下水滲流作用下，埋管群周圍的溫度場不再呈現出原來的圓形作用區域，而是轉變為橢圓形區域。滲流速度不斷增加會使溫度場在滲流方向上呈現出越來越明顯的拉伸，并且在垂直滲流方向上表現出明顯的切削。即滲流速度越大埋管在沿滲流和垂直于滲流方向上分別呈現出更大和更小的熱作用半徑[19-21]。

2.3 滲流方向對地下溫度場的影響

滲流情況下，U型管內流體入口與出口溫差及埋管換熱量均大于無滲流情況，可見滲流有利于換熱器運行[22]。水層中的滲流速度足夠大，就可以帶走管壁周圍的熱量、冷量的堆積從而緩解土壤熱不平衡的問題，提高系統運行效率[23,24]。

為解決滲流方向問題，通過模擬及實驗我們發現，地下水滲流阻礙了上游管群溫度的升高，并使溫度向下游管群集中，使下游溫度升高加速。因此在布置地埋管時應考慮到地下水滲流方向的影響，在滲流的方向上，為避免溫度集中匯聚產生熱堆積，合理增加管間距；在垂直于滲流的方向上，考慮到滲流引起的切削，應該使管間距適度減小，并使鉆孔與滲流方向呈一定的夾角，有效地利用地下水滲流將多余的熱量、冷量帶走，提高機組的運行效率[25]。這樣就有了順排與叉排的埋管方式，順排管群0°為其最劣滲流方向角，其最優滲流方向角應該30°左右；對于叉排管群，90°為其最劣滲流方向角，其最優滲流方向角應該在15°左右，但是并不固定，隨滲流速度的變化而略有改變[26]。

3 結論

土壤是種復雜的含濕多孔介質，它作為熱源提供熱量時我們要考慮地下水的問題，通過熱響應實驗及地下水流速度計算得到基礎數據，并結合施工地點具體的土壤特征進行設計，若忽略這項影響因素，會造成設計尺寸過長。通過研究經驗可知，土壤的能量不是取之不盡用之不竭的，當長期向土壤取熱（放熱）會使土壤熱平衡出現問題，并且已有研究者對跨季節蓄熱（蓄冷）進行了研究，但很少學者將地下水與跨季節蓄熱（蓄冷）相結合進行研究，而地下水對蓄熱（蓄冷）影響很大，應進一步研究，為實際工程提供可靠的依據。

［1］Omer A.Ground source heat pump systems and applications[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2008，12（2）：344-371.

［2］楊衛波，陳振乾，施明恒.垂直U型埋管換熱器準三維熱滲耦合模型及其實驗驗證[J].太陽能學報，2011，3（23）:383-389.

［3］張玲，陳光明，等.垂直埋管熱濕傳遞線源模型的建立及其計算條件[J].太陽能學報，2007，2（28）：141-145.

［4］J.Raymond，R.Therrien，L.Gosselin，R.Lefebvre.Numerical analysis of thermal response tests with a groundwater flow and heat transfer model[J].Renewable Energy,2011,36(1):315-324.

［5］楊衛波，施明恒.基于線熱源理論的垂直U型埋管換熱器傳熱模型的研究[J].太陽能學報，2007，5（28）：482-488.

［6］陳友明，張訓水，杜立志，劉向偉.有滲流地埋管傳熱模型及快速算法[J].湖南大學學報(自然科學版)，2013，1（40）:15-20.

［7］張琳琳，趙蕾，楊柳.滲流作用下垂直埋管換熱器鉆孔內外耦合傳熱計算與分析[J].化工學報，2015，4（66）：1291-1300.

［8］張軼星，杜震宇.土壤源熱泵豎直埋管換熱器鉆孔外傳熱模型綜述[J].山西能源與節能，2010，1：62-68.

［9］李新國，趙軍，周倩.埋地換熱器理論模型與周圍土壤溫度數值模擬[J].太陽能學報，2004，4（25）492-296.

［10］陳忠購，張正威.分層滲流地層中豎直地埋管的換熱計算模型[J].太陽能學報，2013，5(34):831-838.

［11］劉芳毅.土壤耦合熱泵地下埋管換熱器溫度場實驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學，2008.

［12］De Moel M,Bach P M,Bouazza A,et al.Technological advances and applications of geothermal energy pile foundations and their feasibility in Australia[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2010, 14(9):2683-2696

［13］盧春方.地埋管換熱器非飽和土壤熱濕遷移數值模擬[D].武漢:華中科技大學，2012.

［14］盧春方.地埋管換熱器周圍非飽和土壤熱濕遷移數值模擬[J].建筑熱能通風空調，2014,2（33）：53-57.

［15］豆君君，呂靜，何哲彬，任瑩瑩，徐峰.跨臨界CO2熱泵中蒸發器的數值模擬[J].建筑熱能通風空調，2014，2（23）：34-57.

［16］曾召田，呂海波，趙艷林，葛若東.地下水滲流對豎埋管換熱傳熱影響的數值模擬[J].太陽能學報，2015,12（32）：3007-3014.

［17］Raymond J，Therrien R，Gosselin L，etal.Numerical analysis of thermal response tests with a groundwater flow and heat transfer model[J].Renewable Energy，2011,36:315-324.

［18］王金香，李素芬，尚妍，東明，王正.地下含濕巖土熱滲禍合模型及換熱埋管周圍土壤溫度場數值模擬[J].太陽能學報，2008,7（29）:837-342

［19］Raymond J，Therrien R，Gosselin L，etal.Numerical analysis of thermal response tests with a groundwater flow and heat transfer model[J].Renewable Energy，2011,36:315-324.

［20］劉虎，晉華，邢述彥，段妍，郝曉燕.地下水滲流對地埋管換熱器周圍溫度場的影響[J].水電能源科學，2012,12（30）:117-119.

［21］Angleotti A，Alblerti L，Licata I L，etal.Energy performance and thermal impact of a borehole heat exchanger in a sandy aquifer:Influence of the ground water velocity[J].Energy Conversion and Management，2014,77:700-708.

［22］王欣.地下水滲流方向對單U型埋管換熱器換熱特性影響的數值研究[D].太原:太原理工大學，2012.

［23］顧吉浩，孫學梅，齊承英.地下水滲流對單孔地埋管換熱器換熱性能影響的數值模擬[J].暖通空調,2015,2（45）：121-123.

［24］丁璐.地下水滲流對豎直埋管換熱器的影響研究[D].重慶:重慶大學，2015.

［25］蔡晶晶，陳汝東，王健.地下水滲流對地埋管傳熱影響的理論分析[J].流體機械，2009，12（37）:62-67.

［26］王灃浩，余斌,顏亮.地下水滲流對地埋管管群傳熱的影響[J].化工學報，2010，2（61）：62-67.

Research Progress of the Effect of Groundwater Seepage on Underground Buried Tubular Heat Exchanger

GONG Ke-qin，LIU Yu-yan
（Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163318,China）

Renewable energy such as solar energy and geothermal energy has become trend to replace the most boilers due to its increasingly prominent impacts.In this paper,application situation of several heat transfer models of vertical ground heat exchanger for ground source heat pumps was introduced,and effect of the groundwater on the ground heat exchanger was analyzed.Meanwhile,suggestions for further research were proposed.

Groundwater seepage;Underground buried tubular heat exchanger;Heat exchanger model

TQ 052

A

1671-0460（2017）03-0536-03

2016-09-29

宮克勤（1967-），男，黑龍江七臺河人，教授，博士，2007年畢業于東北石油大學石油儲運工程專業，研究方向：儲運系統節能技術。E-mail：gkqdqpi@126.com。

劉雨艷（1991-），女，碩士，研究方向：地源熱泵系統設計優化。E-mail：liuyuyan0301@163.com。