不同回填材料對地源熱泵埋管換熱性能的影響

侯靜

摘要：本文通過FLUENT模擬地源熱泵長期運行不同回填材料對地源熱泵埋管換熱性能的影響。

關鍵字 地埋管 回填材料 土壤溫度場 換熱

地源熱泵系統可以按制冷工況和供熱工況運行。夏天制冷工況下，空調房間的冷負荷與壓縮機所耗功轉化為熱量排入地下土壤中。一般很少采用將冷凝器盤管直接埋入地下的做法，通常通過中間介質（如水）的循環，達到熱量轉移的目的。地下埋管換熱器與冷凝器連接換熱，埋管連成一個封閉的回路，水泵提供動力，水在回路中循環，循環管路在冷凝器中吸收制冷劑的熱量，通過地下埋管換熱器傳給土壤。在供熱工況下，轉動四通閥，與埋管換熱器換熱的冷凝器變成熱泵機組的蒸發器，埋管換熱器里的循環水吸收土壤的熱量，流經蒸發器時把熱量釋放給制冷劑。

1 模型的物性參數

模擬的一個重要前提條件是設置物體的物性參數。影響換熱的物性參數主要包括密度、比熱容、導熱系數。土壤是地源熱泵的冷熱源，土壤的熱物性參數很大程度上影響著地源熱泵系統的換熱效果。根據資料給出表1典型土壤材質的熱物性參數。

地源熱泵模型除了設置土壤的物性參數，還需設置管材、回填材料和水的物性參數，本文模型中管材為高密度聚乙烯管，回填材料為20%膨潤土加80%SiO2沙子，土壤為某地多種土壤材質的加權平均值[53]。模型物性參數如表2所示。

2? 非穩態模擬

本文研究不同導熱系數的回填材料對埋管換熱性能的影響。建立埋深均為100m，埋管入口流速均為0.4m/s，兩管腳間距均為80mm的單U垂直埋管模型。改變填充層導熱系數分別為1.2W/（m·K）、1.7W/（m·K）、2.2W/（m·K）、2.7W/（m·K）、3.2W/（m·K）、3.7W/（m·K）時，以0.5W/（m·K）的等間距之差，研究埋管換熱器出口溫度、進出口溫差和單位井深換熱量的變化。

圖1到圖3是改變填充材料的導熱系數得到的前2小時、2小時到1天和1天到10天埋管出口溫度變化曲線。

從圖1可以看出，由于只改變填充材料物性，其他條件不變化，運行初期出口溫度基本相等，隨著運行時間的增長，埋管周圍填充層導熱速度快慢不同，出口溫度就有了變化。在前兩個小時不同導熱材料的埋管出口溫度差值原來越大。

從圖2可以看出，系統運行2小時到1天，不同填充材料埋管出口溫度相差漸漸變小，說明填充層對熱泵運行初期影響比較大，隨運行時間影響逐漸減小。

從圖3可以看出，熱泵運行2天后，埋管出口溫度慢慢趨于穩定。當熱泵運行穩定后，埋管出口溫度隨填充材料導熱系數的增加而降低。導熱系數越大，出口溫度變化越不明顯。

圖10可以看出，換熱量隨填充層導熱系數的增加而增加，斜率為正值，但隨著導熱系數的增加，斜率減小，說明導熱系數增加到一定程度，對換熱量的影響減小，并且趨于不變。

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