水平地埋管換熱器夏季動態(tài)換熱特性數(shù)值模擬

林林+陽堯+莊林學(xué)

摘 要：建立了二維水平地埋管換熱器數(shù)值模型，分析了地埋管流動介質(zhì)流速、入口溫度、工作模式對地埋管換熱特性的影響。計(jì)算表明：提高流速和入口溫度有利于提高地埋管換熱器的熱流密度，然而較大的流速導(dǎo)致地埋管需用功率急劇增大；在循環(huán)操作模式下，地埋管換熱器在運(yùn)行時具有更高的換熱效率。此外著重分析了土壤溫度的動態(tài)變化過程，地埋管埋深以上區(qū)域易受地表溫度影響，循環(huán)操作模式下，地埋管周圍土壤高溫區(qū)域更小。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；水平埋管換熱器；動態(tài)換熱特性；數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.220

能源與環(huán)境是當(dāng)今人類生存與發(fā)展面臨的緊迫問題[1]，以石油、煤炭為代表的不可再生能源的急劇消耗并且造成了環(huán)境污染等問題。通常距離地表面深度6m～45m的土壤溫度大致保持恒溫，正是利用地下土壤溫度相對穩(wěn)定的特性，地源熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑環(huán)境與大地的能量交換，隨著節(jié)能綠色建筑理念日益融入城鎮(zhèn)化建設(shè)，該技術(shù)將會得到進(jìn)一步的重視與發(fā)展。

地埋管換熱器為地源熱泵的重要部件，其換熱特性將直接決定地源熱泵的換熱效率。豎直地埋管換熱器換熱效率高，然而鉆井成本等前期費(fèi)用高；水平地埋管通常埋深0.8m～2m，由于易受地表溫度的影響，換熱效率較低，但是投入成本小，因而綜合考慮換熱效率與投入，水平換熱器也是一種可行的解決方案。

目前，國內(nèi)外對豎直地埋管換熱器研究較多，而對水平地埋管換熱器研究相對較少。Bhutta等人研究了適用于不同型式地埋管換熱器的數(shù)值計(jì)算方法，包括湍流模型、速度壓力耦合算法的選擇等，研究表明數(shù)值計(jì)算是地埋管設(shè)計(jì)和評估換熱特性的有效工具；Benazza等對水平地埋換熱器的換熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了土壤導(dǎo)熱系數(shù)和地埋管尺寸對換熱器換熱特性的影響；張銳[2]等研究了埋深對地源熱泵水平連接管夏季換熱性能的影響；Conged等人利用數(shù)值模擬手段研究了水平地埋管換熱器型式、埋深、管內(nèi)流速等參數(shù)對換熱特性的影響；Inalli等人對水平地埋管換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出地埋管埋深分別為1m和2m時，對應(yīng)的COP值（制冷效率）為2.66和2.81。卿菁[3]等人對水平地埋管換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出埋深為 2.2m 層的水平蛇形地埋管與土壤換熱的換熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于埋深為 1.8m 層的水平蛇形地埋管的結(jié)論.

以上的研究主要集中在幾何外形參數(shù)、物性參數(shù)對水平地埋管換熱器換熱特性的影響，而對換熱過程中，土壤溫度的動態(tài)變化研究較少。本文建立二維水平地埋管換熱器數(shù)值模擬，模擬夏季地埋管換熱器向土壤傳遞熱量的過程，研究了流動介質(zhì)流速、入口溫度以及不同工作模式對換熱特性的影響規(guī)律，重點(diǎn)分析了換熱過程中，土壤溫度的動態(tài)變化。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型參數(shù)及計(jì)算網(wǎng)格

為了提高計(jì)算效率，本次數(shù)值模擬進(jìn)行地埋管的二位數(shù)值模擬，水平地面管模型如圖1所示。地埋管直徑0.1m，長度100米，距離地面深度2.5米，計(jì)算域底部延伸到距離地面10米，忽略地面管的壁厚。對計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在地埋管內(nèi)部以及周圍傳熱過程中溫度梯度較大，網(wǎng)格進(jìn)行加密，距離地埋管較遠(yuǎn)的區(qū)域溫度梯度變化較小，網(wǎng)格劃分比較稀疏，總網(wǎng)格數(shù)16萬。

1.2 初邊值條件

水平地埋管由于埋深較淺，易受到地表溫度的影響，進(jìn)而淺層土壤的溫度會隨著空氣的溫度的變化而波動。地表溫度通常需要統(tǒng)計(jì)當(dāng)?shù)氐奶鞖赓Y料，然后根據(jù)地表溫度通過公式計(jì)算不同深度土壤的溫度。本文主要研究不同入流條件對地埋管的動態(tài)換熱特性的影響，為了簡化計(jì)算模型，忽略地表溫度和不同土壤深度溫度隨空氣溫度的變化，地表溫度取恒定溫度值29.34℃。土壤的初始溫度以及底部地面溫度取21.34℃。

地埋管內(nèi)的介質(zhì)為水，土壤的主要成分取石灰?guī)r，其物性參數(shù)如表1所示：

地埋管的水流方向如圖1所示從左往右，入口設(shè)置為速度入口邊界，通過改變地埋管的流速或入水溫度變換不同的工況；出口設(shè)置為outflow出流邊界條件；地表為溫度壁面；10米深地面也設(shè)置為溫度壁面。

1.3 數(shù)值方法

使用Fluent軟件求解非定常不可壓縮的時均N-S方程，湍流模型取RNG 二方程模型，采用有限體積法離散上述方程，對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，通過SIMPLE算法耦合壓力與速度。由于本次動態(tài)數(shù)值模擬的物理時長為6個月，為了兼顧計(jì)算精度及計(jì)算效率，時間步長取300s。

2 結(jié)果分析

2.1 流速對地埋管換熱特性的影響

研究了地埋管入水溫度保持304.49K（31.34℃）不變，流速V分別為0.5m/s，1.0m/s，2.0m/s時的動態(tài)換熱特性。任一流速下熱流密度在地埋管運(yùn)行20天內(nèi)急劇減小，20天以后熱流密度緩慢的減小，最終趨于穩(wěn)定不變。為了清晰比較流速對熱流密度的影響，定義熱流密度增量為不同流速下的熱流密度與V=0.5m/s對應(yīng)的熱流密度之差。圖2為地埋管熱流密度增量隨時間的變化曲線，從圖中可以看出，隨著流速的增大，熱流密度增量增大，意味著流速增加單位時間的換熱量增加；另外熱流密度增量隨著時間的增加先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定不變。

2.2 入水溫度對地埋管換熱特性的影響

研究了地埋管入水流速保持1.0m/s不變，入水溫度分別為28.34℃，31.34℃，34.34℃的動態(tài)換熱特性。圖3為不同入水溫度下，熱流密度隨時間的變化曲線，在任一溫度下，熱流密度在起初的20天內(nèi)急劇下降，工作20天以后，熱流密度變化平緩并趨于穩(wěn)定；另外隨著入水溫度的增大，熱流密度增大。

2.3 工作模式對地埋管換熱特性的影響

由于水平地面換熱器在連續(xù)工作模式下，在運(yùn)行一個月后，土壤達(dá)到熱飽和，熱流密度降到非常低的數(shù)值，導(dǎo)致?lián)Q熱效率過低，另外換熱器連續(xù)工作時耗能較高，因此有必要研究地埋管在循環(huán)工作模式下的動態(tài)換熱特性。

循環(huán)工作模式時，地埋管周期型的運(yùn)行和暫停，在本文數(shù)值模擬過程中地埋管每暫停16小時，再工作8小時，8小時工作時流速為1m/s，16小時暫停時流速為0m/s。為了保證計(jì)算穩(wěn)定性，首先使地埋管從初始時刻連續(xù)工作1天。在計(jì)算過程中，通過設(shè)置周期型速度入口邊界來實(shí)現(xiàn)地埋管的周期型工作模式。

圖4為不同工作模式下熱流密度隨時間的變化曲線，從圖中可以看出，循環(huán)模式下熱流密度在暫停時由于流速為零，僅僅是地埋管內(nèi)余留的流體進(jìn)行換熱，熱流密度小于同時刻連續(xù)模式對應(yīng)的熱流密度，在工作時高于同時刻的連續(xù)模式對應(yīng)的熱流密度，這主要是因?yàn)檠h(huán)運(yùn)行模式有利于土壤溫度場的恢復(fù)，提高了地埋管與周圍土壤之間的換熱效率。循環(huán)模式下熱流密度以每24小時為一個周期變化，暫停時熱流密度存在波谷，而工作時存在波峰，隨著時間的增大，每個周期波谷值變化較小，而波峰顯著減小，從而使得時均熱流密度逐漸減小。

本文對夏季地源熱泵水平地埋管換熱器的動態(tài)換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

（1） 提高地埋管換熱器內(nèi)流動介質(zhì)的流速及入口溫度有利于提高換熱器的熱流密度，然而較高的流速將導(dǎo)致?lián)Q熱器的需用功率急劇上升。

（2）分析了連續(xù)工作模式和循環(huán)工作模式下土壤溫度的動態(tài)變化，由于埋深較淺，地埋管埋深以上區(qū)域受地表溫度和地埋管熱傳導(dǎo)的影響，在較短的時間，該區(qū)域溫度分布趨于穩(wěn)定；地埋管埋深以下區(qū)域，隨著換熱器運(yùn)行時間的增長，熱量向更低溫度區(qū)域傳遞。此外，兩種工作模式下地埋管埋深以上區(qū)域溫度變化大致相同，然而相對于連續(xù)工作模式，循環(huán)工作模式下地埋管周圍土壤高溫區(qū)域更小。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱建勇，劉沛清，屈秋林等.螺旋式S型風(fēng)輪氣動性能試驗(yàn)研究[J].應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，23（05）：1060-1066.

[2]張銳，張旭.埋深對地源熱泵水平連接管夏季換熱性能的影響[J]. 暖通空調(diào)，2012，42（02）：71-75.

[3]卿菁，王勇.不同埋深水平蛇形地埋管換熱器換熱性能比較分析[J].制冷與空調(diào)，2015，29（05）：485-490.

作者簡介：林林（1982-），男，遼寧人，實(shí)驗(yàn)崗助理工程師 ，研究方向：從事材料力學(xué)領(lǐng)域研究。endprint