地源熱泵地埋管換熱器影響因素分析

賀靜靜

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 陜西 咸陽(yáng) 712000）

0 引言

能源利用與環(huán)境保護(hù)的平衡，對(duì)一個(gè)城市的發(fā)展越來(lái)越重要，咸陽(yáng)地區(qū)地處秦嶺北麓，地勢(shì)具有兩側(cè)高，中間低的特點(diǎn)，屬大陸性半濕潤(rùn)半干旱氣候，一年四季溫差大，冬季需要供暖，能源消耗比較大，且傳統(tǒng)能源來(lái)源于礦物燃料的燃燒，這導(dǎo)致冬季這個(gè)城市霧霾嚴(yán)重。清潔能源的推廣顯得尤為重要。

1 熱源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用土壤情況調(diào)查

根據(jù)地質(zhì)地形和區(qū)域的劃分，我國(guó)地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用土壤情況從區(qū)域、典型地區(qū)、典型地質(zhì)、主要應(yīng)用類型、應(yīng)用深度等幾個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)有：北京北部地區(qū)以巖石為主，南部地區(qū)以砂土為主；黃河中部平原地區(qū)的西安、咸陽(yáng)、蘭州等地以黏土、粉細(xì)砂、少量卵石為主；長(zhǎng)江中部武漢以巖石為主；黃海北部威海、青島以巖石為主；天山山脈烏魯木齊以巖石為主；長(zhǎng)三角流域蘇州、上海以黏土、粉細(xì)砂為主；山東中部濟(jì)南、浙江中東部杭州以巖石為主；江蘇北部徐州卵石為主；重慶、湖南、江西以地表水為主。

2 垂直U型管換熱器的物理模型

不同地區(qū)土壤組成成分、熱工性能、介質(zhì)的傳熱傳濕性質(zhì)差別很大，這也直接影響著埋地?fù)Q熱器的換熱性能。其次，數(shù)學(xué)模型的建立和邊界條件的設(shè)置都很重要。本文首先對(duì)咸陽(yáng)地區(qū)的土壤的特性做出各向同性且均勻的多孔的介質(zhì)的假定，利用ANSYS軟件建立單根垂直U型埋地?fù)Q熱器的模型。

3 數(shù)學(xué)模型的建立

土壤、埋地管管壁及回填材料的導(dǎo)熱方程是：

4 U型管內(nèi)流體的流動(dòng)以及對(duì)流換熱的模型

建立垂直U型管內(nèi)流體的流動(dòng)以及對(duì)流換熱的模型，首先要確定管內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)，流體流動(dòng)分為層流和紊流。埋地垂直U型管內(nèi)流體的流動(dòng)屬于紊流狀態(tài)。動(dòng)量方程、紊流動(dòng)能方程、能量方程、流體連續(xù)性方程、紊流動(dòng)能耗散率方程等都屬于流體紊流控制方程，這些方程的應(yīng)用都要滿足方程（2）：

5 模擬計(jì)算的邊界條件和初始條件

5.1 U型管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)邊界條件

②固體壁面的邊界條件

垂直埋管管壁流體速度值取零，都用無(wú)滑移邊界條件。埋管外壁面與直接接觸的土壤進(jìn)行換熱的能量方程用耦合傳熱進(jìn)行求解。我們假定壁面上的水流是不可滲透的。紊流動(dòng)能的K方程，在壁面的地方邊界條件用擴(kuò)散通量為零。

③進(jìn)出口的邊界

進(jìn)口：紊流動(dòng)能取來(lái)流平均動(dòng)能百分?jǐn)?shù)，數(shù)值取0.5%～1.5%。

出口：埋地管內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)隨著熱泵停止運(yùn)行而停止流動(dòng)，這時(shí)流體和管壁之間傳熱的方式是導(dǎo)熱，它的邊界條件為:

式中： 是管壁的溫度，k。

5.2 固體的部分

初始的條件:對(duì)于整個(gè)包括U型管的管壁還有土壤以及回填材料部分的固體的計(jì)算區(qū)域的初始溫度為12.5℃，即。

邊界條件：地表面定義為是絕熱的，q=0。

U型管支管的外壁面和回填材料的接觸面以及土壤的接觸面和回填材料都是耦合的熱傳導(dǎo)面：

土壤的接觸面和回填材料也是耦合的熱傳導(dǎo)面：

6 流速對(duì)換熱量的影響

通過(guò)模擬，不同入口流速下?lián)Q熱性能曲線如下圖：

改變U型管入口介質(zhì)的流速，會(huì)使土壤源熱泵垂直U型管的換熱量發(fā)生變化，從已得數(shù)據(jù)可以看出，模擬入口介質(zhì)流速分別為0.5m/s、0.7m/s、0.9m/s、1.2m/s、2.0m/s、3.0m/s時(shí)換熱量的變化。流速?gòu)?.5m/s上升到2.0m/s時(shí)，換熱量從1978.34w上升到2150.36w，其增幅達(dá)到了8.7%，當(dāng)流速?gòu)?.0m/s變化到3.0m/s時(shí)，換熱量從2150.36 w變化到2152.47 w，增幅僅為0.098%。那么可以把垂直U型管的換熱分為兩個(gè)階段，增幅為8.7%為第一階段，增幅為0.098%為第二階段。在第一階段里隨著流速的增加，垂直U型管內(nèi)流體紊流現(xiàn)象會(huì)加劇，使得換熱系數(shù)增大，結(jié)果使換熱量增加。

另一方面，U型管內(nèi)的阻力隨著管內(nèi)介質(zhì)流速的增大而增加，那么U型管內(nèi)的流速增加會(huì)使水泵能耗加大，所以，在確定介質(zhì)入口流速對(duì)換熱量的影響時(shí)，還需考慮水泵能耗。因此，確定介質(zhì)入口流速十分重要，本文推薦單U型管的入口流速介于0.7m/s～2.0m/s之間。