地下水滲流對雙U型地埋管換熱器的模擬研究

朱勃森　張杰

摘 要：為確定地下水滲流對雙U型地下埋管換熱器換熱性能的影響，利用FLUENT軟件建立實際尺寸的雙U型埋管鉆井換熱模型和周圍土壤多孔介質模型，分別對土壤中無地下水滲流和有地下水滲流且滲流速度為2×10-6m/s時對換熱器換熱量和地下土壤溫度場影響進行模擬研究。結果表明：在其它工況不變情況下僅改變地下水滲流速度（由0m/s到2×10-6m/s），埋管流體出口溫度隨著滲流速度的增大而減小，埋管的進出口溫差相應的隨著滲流速度的增大而增大，導致雙U型埋管與土壤間的換熱量越來越大，地下水滲流增強了雙U型埋管的換熱能力。

關鍵詞：地下水滲流；雙U型埋管換熱器；模擬研究

中圖分類號：P641.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0047-03

Abstract： In order to determine the effect of groundwater seepage on the heat transfer performance of double U-shaped buried tube heat exchanger， the heat transfer model of double U-shaped buried pipe drilling and the porous media model of surrounding soil were established using FLUENT software. The effects of heat exchanger heat transfer and soil temperature field on the heat transfer of the heat exchanger were simulated when the seepage rate was 2×10-6m/s and there was no groundwater seepage in the soil. The results show that when the flow velocity of groundwater is changed only in other conditions（from 0m/s to 2×10-6m/s）， the outlet temperature of buried pipe decreases with the increase of seepage velocity， and the temperature difference between inlet and outlet of buried pipe increases with the increase of seepage velocity. As a result， the heat transfer between double U-type buried pipe and soil is increasing， and the heat transfer capacity of double U-shaped buried pipe is enhanced by groundwater seepage.

Keywords： groundwater seepage； double U-shaped heat exchanger； simulation study

引言

在我國的南方，夏季的供冷能耗是建筑能耗的重要組成部分，并且在建筑總能耗中占有很大的比例。與傳統中央空調供冷相比，地源熱泵系統具有高效、節能、環保、穩定的優點，因此研究地源熱泵技術對減少建筑能耗有著十分重要的作用[1-2]。對于地源熱泵來說，地下埋管與土壤間的換熱是影響地源熱泵系統的關鍵環節[3-4]。豎直U型地埋管是目前應用最廣泛的埋管方式，本文主要研究在夏熱冬冷地區地下水滲流對雙U型地埋管土壤溫度場和換熱量的影響，通過對比分析得出結論[5-8]。

本文建立了準三維雙U型埋管與土壤耦合蓄熱的數學模型，即地埋管在垂直方向上的一維傳熱和土壤在水平面上的二維傳熱。在考慮土壤中存在地下水滲流時，建立埋管周圍土壤為多孔介質模型并認為地下水滲流僅沿一個方向以固定速度流動，采用FLUENT軟件進行數值模擬，其主要內容為：（1）利用CATIA和ICEMCFD軟件建立地埋管鉆井的三維數學模型和地下土壤的多孔介質模型。（2）利用FLUENT軟件對模型網格進行劃分和設置相應的邊界條件。（3）模擬系統運行15天時無地下水滲流和有地下水滲流且滲流速度為2×10-6m/s下，得出地下土壤溫度場的分布云圖，通過各自的進出口溫差對比表明各個工況下換熱量的大小，以期為實際工程設計提供指導。

1 FLUENT模擬

地埋管換熱器中循環流體的流動處于端流狀態并且它與土壤的換熱是一個多層介質三維非穩態傳熱過程，所以分析其實際傳熱過程非常復雜。為了易于分析地埋管換熱情況，我們需要對地埋管換熱模型做相應的簡化。本文中的模擬過程做的假設條件有：

（1）忽略地埋管內流體的橫向傳熱，其同一水平面截面方向上溫度相同，即認為循環液流速均勻不可壓。

（2）忽略固體介質之間的接觸熱阻，即認為埋管周圍土壤與回填材料之間、回填材料與U型管之間的接觸非常好。

（3）忽略土壤分層，認為土壤整體物性統一不隨軸向變化，并假設在整個傳熱過程中，土壤熱物性保持不變。

（4）忽略質量力的基礎上，視土壤為飽和多孔介質，而飽和多孔介質的特點是均勾、均值、剛性并且具有各向同性的性質。

（5）考慮其中的水滲流影響，忽略地下水滲流過程中縱向流動對換熱的影響，即認為其只沿水平方向流動。

（6）忽略非飽和區域土壤內出現的濕遷移問題，主要針對土壤飽和區域內地下埋管的熱傳導特征進行研宄分析。

（7）假定土壤中固體骨架與其周圍地下水的溫度完全相同，固體與流體間需要達到的熱平衡狀態，假設其瞬間即可完成。

（8）忽略非飽和區域土壤內出現的濕遷移問題，主要針對土壤飽和區域內地下埋管的熱傳導特征進行研宄分析。

本文將模擬建筑熱工分區為夏熱冬冷地區的某地，該地區的土壤可認為均質的，為了確保數值模擬的準確性，采用FLUENT軟件做數值模擬時所設置的參數盡可能的與該地區的參數保持一致。

在模型中需要定義的界面主要有：土壤的上下表面和側面、鉆井上下表面和與土壤相交壁面、埋管進出口面和壁面、鉆井與埋管相交面。其主要的幾個部分為：（1）土壤：土壤體材料按照多孔介質材料參數設置；土壤上表面與外界空氣進行對流換熱，在軟件中設置熱能選項（convection），室外空氣溫度為308K，對流換熱系數如上所述；土壤側面及其下表面都選定恒溫選項，其溫度為土壤初始溫度290K。（2）鉆井：鉆井上表面設置與上述土壤上表面設置一致；鉆井側面由于其內與回填材料外與土壤傳熱，因此設置此面為耦合面；鉆井下表面選定恒溫選項，溫度為土壤初始溫度290K。（3）流體：流體入口邊界分為入口定流速度和恒定溫度，如前所述流體速度為0.4m/s，溫度為310K；流體出口邊界為軟件默認設置；埋管管壁面也是一個耦合面，在熱能選項中設置為couple，并設置管壁厚度2.2mm。

2 模擬結果的分析

2.1 在土壤中無滲流和有滲流時的模擬

根據上述模擬邊界條件和相關參數的設置，認為土壤各項參數均勻一致且選取土壤中無滲流時的土壤熱物性參數，當埋管流體進口溫度為310K，進口流速為0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s時，在土壤中無地下水滲流用軟件進行連續運行15天的模擬。這里時間步長設置為1d（1天），繪制埋管出口溫度的散點圖如圖1所示。用軟件進行連續運行15天的模擬，這里時間步長設置為1d（1天），此時土壤滲流速度設置為2×10-6m/s，其他條件設置與上述無滲流時條件設置相同，繪制埋管出口溫度的散點圖如圖2所示。

2.2 對比分析

從圖1和圖2可以看出，在所選取的雙U型埋管模型參數中僅改變流體入口速度這一工況，流體出口溫度隨流體進口速度的增大而變大，其原因為隨著進口流速增大，管內流體在管中與管壁接觸的時間就會減小，流體與周圍環境換熱不夠充分，從而導致流體出口溫度變大，從另一個角度也可以看出流體的進出口溫差隨著流體入口速度的增大而減小。對于某一固定速度而言，流體的出口溫度開始最低且開始溫度變化很快隨后慢慢變化很小，這主要是因為剛開始土壤還未與埋管內流體通過埋管壁面接觸換熱，開始土壤溫度和流體入口溫度溫差最大所以流體傳熱多溫度降的多，而后隨著換熱時間的增加，埋管周圍土壤溫度逐漸升高，埋管內流體與土壤溫差逐漸減小，換熱量逐漸降低從而導致流體出口溫度逐漸增大。

圖1為土壤中無滲流的情況，模擬時對出口溫度的監視器上可以看出，當流體入口流速為0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s時，其各自對應的后面趨于穩定的出口溫度為305.81K、307.72K、308.68K，相應的進出口溫差依次為4.19K、2.28K、1.32K。圖2為土壤中有滲流的情況，當流體入口流速為0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s時，其各自對應的后面趨于穩定的出口溫度為299.81K、301.72K、303.48K，相應的進出口溫差依次為10.19K、8.28K、6.32K。相同條件下埋管換熱器進出口溫差越大換熱量越大，由此可以說明地下水滲流增強了雙U型埋管的換熱能力。

3 結束語

（1）在上述所選取的參數范圍內，雙U型地埋管的流體出口溫度隨流體進口速度的增大而變大，流體的進出口溫差隨著流體入口速度的增大而減小。對于某一固定入口流速而言，流體的出口溫度都隨著運行時間的增加而減小，都是在開始變化快而后逐漸變慢。

（2）在上述所選取的參數范圍內，當流體入口流速為0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s時，土壤中無滲流和有滲流時雙U型埋管進出口溫差依次為4.19K、2.28K、1.32K；10.19K、8.28K、6.32K，兩者比值依次為2.43K、3.63K、4.78K，有滲流時雙U型埋管換熱量依次是無滲流時換熱量的2.43、3.63、4.78倍，說明地下水滲流增強了雙U型埋管的換熱能力。

參考文獻：

[1]蔣能照，姚國琦，周啟瑾，等.空調用熱泵技術及應用[M].北京：機械工業出版社，1997.

[2]刁乃人，方 洪.地埋管地源熱泵技術[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]徐偉.地源熱泵工程技術指南[M].北京建筑工業出版社，2001.

[4]刁乃人.地埋管地源熱泵技術[M].高等教育出版社，2003.

[5]刁乃仁，曾和義，方肇洪.豎直U型管地熱換熱器的準三維傳熱模型[J].熱能動力工程，2003，18（14）：387-390.

[6]范蕊，馬最良.地下水流動對地下埋管換熱器影響的實驗研究[J].太陽能學報，2006，27（11）：1155-1162.

[7]Yang W，Zhou J，Xu W，Zhang G. Current status of ground-source heat pumps in China[J].Energy Policy，2010，38：323-332.

[8]Georgios A，Florides，Paul Christodoulides. Single and double U-tube ground heat exchangers in multiple-layer substrates[J].A pplied Energy，2013，102（2）：364-373.