嚴寒地區太陽能地源熱泵水平地埋管蓄熱特性研究

【摘要】本文主要針對嚴寒地區太陽能地源熱泵中水平地埋管的蓄熱規律及水平地埋管周圍的土壤溫度分布情況進行了數值模擬，并與實驗所測數據進行了對比，通過溫度分布圖直觀的反映了水平地埋管周圍的溫度場分布情況，對今后嚴寒地區太陽能地源熱泵水平埋管鋪設方式起到一定的指導意義。

【關鍵詞】太陽能地源熱泵；水平地埋管；溫度場；數值模擬

1、引言

當今大氣污染日益嚴重，冬季采暖加重了污染程度，尋找清潔能源代替傳統的煤采暖方式迫在眉睫，很多學者提出電采暖、土壤源熱泵采暖、太陽能土壤源熱泵聯合采暖等采暖方式。太陽能土壤源熱泵采暖方式雖然在很多地方進行了施工應用，但是在我國幅員遼闊，地區氣候、土壤、水文條件等差異較大，很多應用案例具有地區局限性，因此技術沒能在全國各地得到很好的推廣，例如我國北部嚴寒地區，太陽能資源非常豐富，但是由于地處山區地表以下三米多為碎石，豎直埋管方式費用昂貴，只能采用水平埋管方式。基于此，本課題主要對寒冷地區某太陽能土壤源熱泵系統的工程案例的中水平地埋管部分的儲熱特性進行了初步的模擬研究。

2、水平地埋管傳熱模型

2.1假設條件

為了便于理論分析，作如下假設：

（1）假定土壤、埋管為均質，且均為各向同性的固體，各物理參數均為常數。

（2）忽略沿管長方向的傳熱，認為埋管周圍土壤溫度場為二維不穩定固體導熱問題。

（3）忽略由于土壤中水分遷移而引起的熱遷移。

（4）因為大地具有很強的蓄熱能力，在土壤足夠深的地方，溫度基本保持某一定值。

（5）假設第一層實際埋管埋深為1.4米，第二層實際埋管埋深為2.2m。埋管直徑為30mm，壁厚3mm，遠邊界半徑為3米。

2.2幾何模型和網格劃分

本模擬的工程案例由于地質原因不適于設計豎直埋管方式，且由于室外可用于鋪設水平地埋管的面積有限，因此采用水平蛇形埋管方式，埋管間距300mm。本文根據工程案例建立如圖一所示的幾何模型。如圖一所示，土壤斷面ABCD，其中AB為3米，BC為3米深處的土壤邊界。上層管中心距上邊界1.4m，下層管距上邊界2.2米，同層埋管間距300mm；本文根據工程案例建立FLUENT模擬圖形，土壤以及地埋管網格劃分如圖二所示。

3、模擬結果及分析

3.1輸入參數的確定

（1）土壤的熱物理性參數

假設地下土質為砂巖，其熱物理參數如下：

導熱系數λS——1.53W/（m·℃）

密度ρs——2400kg/m3

比熱 Cs——921J/（kg·℃）

（2）水平地埋管的熱物理性參數

水平地埋管選用pvc管材，管徑為30mm，其熱物理參數為：

導熱系數λp——0.19W/（m2·℃）

密度——1230kg/m3

比熱——1510J/（kg·℃）

3.2土壤溫度場模擬結果分析

如圖三和圖四不同蓄熱時間水平地埋管周邊土壤溫度分布圖所示，在蓄熱初期由于地埋管水溫遠高于周圍土壤溫度，因溫差在每根水平地埋管四周形成圓環狀熱流，層層向外傳遞熱量，使地埋管周邊的土壤溫度迅速上升，并形成明顯的溫度梯度。隨著蓄熱時間的增長，相鄰地埋管之間在與周邊土壤進行熱交換時會去產生熱干擾作用，從而影響地埋管的熱量傳遞方式，管群周圍形成橢圓狀溫度梯度分布圖。上層埋管隨著蓄熱時間的增長管群正上方的溫度增長迅速并與土壤表層產生了大量的熱交換，非常不利于土壤蓄熱。雙層埋管之間形成了馬鞍狀溫度分布，并以雙層埋管管群為中心形成一個大的圓環梯度圖，中心溫度高28℃，管群外圍溫度23.5℃。為了使土壤溫度分布更加均勻，提高土壤蓄熱量，可以考慮加大上下層埋管間距，并考慮采用交錯排布方式。而且從圖中還可以看到處于中間的地埋管周圍的溫度偏高于周邊地埋管周圍土壤溫度，可以考慮采用不等間距的埋管方式或者采用不同的蓄熱水溫度進行蓄熱。

3.3與實驗對比分析

沿模擬區域（450，-1600）和（450，1400）兩點做水平地埋管的縱向中心線，利用FLUENT計算出溫度分布值，具體見圖五，并用實驗所測的數據進行驗證分析。

如圖五和圖六所示，模擬數據與實驗實測數據走勢大致相同，但是所測溫度普遍低于模擬數據一度左右，可能由于模擬數據采用恒溫水蓄熱，而實際太陽能蓄熱水箱中的水溫是波動變化，但是依舊可以證明本課題所建立的模型相對比較準確，模擬結果可以為今后對水平地埋管的優化研究做參考。

水平埋管上下溫度以埋管為中心，溫度向上下兩側非完全對稱遞減，在距管中心大概0.2m處，埋管上下兩側遞減速度相同，在0.2m以外由于熱干擾作用雙層埋管間的溫度遞減速度明顯低于雙層埋管兩側的溫度遞減速度。并且隨著與管中心距離的增加，土壤溫度遞減速度逐漸變緩。雙層埋管中心的溫度高28℃，為了擴大蓄熱范圍提高蓄熱量還可以考慮在今后設計中適當擴大雙層埋管間距。

結論：

通過使用FLUENT軟件對嚴寒地區太陽能地源熱泵水平地埋管部分蓄熱特性的數值模擬研究，可以非常明了的顯示出埋管周圍土壤溫度場的分布和變化情況。采用本雙層水平埋管方式可以很好的將太陽能所收集的熱量蓄存到土壤中，當進水溫度為30℃時，土壤溫度可以普遍提高2-6℃，但管群中間土壤溫度遠高于周邊的土壤溫度，此溫度梯度將不利于水平地埋管的蓄熱，且造成熱量在管群中心上方散失到大氣中。因此在今后的設計優化中為了使土壤溫度分布更加均勻，提高土壤蓄熱量，可以考慮加大上下層埋管間距，層與層之間采用交錯排布方式，同一水平層中考慮采用不等間距的埋管方式或者采用不同的蓄熱水溫度進行蓄熱。

參考文獻：

[1]李元旦，魏先勛.水平埋地管換熱器夏季瞬態工況的實驗與數值模擬.湖南大學學報，1999，（2）：58-63.

[2]齊春華.地源熱泵水平埋管地下傳熱性能與實驗研究.天津大學碩士學位論文，2004年1月.

[3]孫婷.水平地埋管換熱器的傳熱性能研究.山東建筑大學碩士學位論文，2009年6月.

[4]周明衛.水平地埋管周圍溫度場分析及模擬.湖南大學碩士學位論文，2014年1月.

作者簡介：

劉宏寶（1991-），男，漢，河北省，碩士研究生，河北建筑工程學院，主研太陽能土壤源熱泵方向.