水平螺旋型地埋管換熱器換熱性能優(yōu)化研究

(揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225000)

地源熱泵因其具有節(jié)能高效、綠色環(huán)保及可持續(xù)利用性等優(yōu)點(diǎn)而備受各國(guó)青睞。傳統(tǒng)豎直地埋管換熱器因其節(jié)省占地面積、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而得到大面積推廣，但其施工難度大、鉆孔成本高。傳統(tǒng)水平埋管換熱器施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但其占地面積大，且換熱效率低。因此，有必要提出一種既能兼顧高效換熱，又能降低施工成本、節(jié)省占地面積的高效地埋管換熱器。

一、地埋管換熱器的不同形式、特點(diǎn)及應(yīng)用

(一)傳統(tǒng)水平埋管。傳統(tǒng)水平地埋管換熱器屬于淺層埋設(shè)，一般埋于距地面0.8～3m處，通常采用蛇形鋪設(shè)。水平地埋管換熱器的主要特點(diǎn)是埋深較淺，與其發(fā)生換熱的土層屬于變溫層土壤，而變溫層的溫度分布受大氣影響較大。在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，水平蛇形地埋管換熱器由于易受到外部因素的影響，傳熱性能較差。

(二)傳統(tǒng)豎直U型埋管。傳統(tǒng)豎直地埋管換熱器是一種布置于豎向鉆孔中，與回填材料直接接觸的地埋管換熱器。其布置方式通常有三種，分為單U型、并聯(lián)雙U型、并聯(lián)三U型，其中單U型地埋管換熱器在地源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛。傳統(tǒng)豎直地埋管換熱器具有節(jié)省占地面積、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但由于其鉆孔極深，導(dǎo)致施工難度大、初投資較高。

(三)水平螺旋形埋管。為解決傳統(tǒng)豎直地埋管換熱器工程造價(jià)高、水平地埋管換熱器換熱性能較差的問(wèn)題，有學(xué)者提出了螺旋型地埋管換熱器。樁基螺旋型地埋管換熱器，屬于樁基埋管形式的一種，采用螺旋盤繞的方式將地埋管換熱器設(shè)置于建筑物樁基中。雖然減少了占地面積，降低了傳統(tǒng)豎直埋管較高的鉆孔成本。

二、水平螺旋型地埋管換熱器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

(一)國(guó)外研究。國(guó)外在螺旋式水平埋管換熱器方面比較多。Hikari Fujii等人在2013年使用單層和雙層Slinky線圈進(jìn)行長(zhǎng)期冷卻和加熱測(cè)試，(horizontal ground heat exchangers)HGHEs作為熱源，以比較它們的熱交換能力。試驗(yàn)表明，通過(guò)引入雙層HGHEs，單位陸地面積的HGHE熱交換能力顯著提高。2016年，Min-Jun Kim等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析得到水平GHE的換熱性能。以使用安裝在填充有干燥的砂的5m×1m×1m鋼箱中對(duì)水平緊密和螺旋盤管型GHE進(jìn)行熱響應(yīng)測(cè)試(TRTs)來(lái)評(píng)估熱交換率。研究結(jié)果表明，在水平GHE設(shè)計(jì)參數(shù)中，GHE類型和土壤熱導(dǎo)率是決定GHE熱交換率的主要因素。

(二)國(guó)內(nèi)研究。國(guó)內(nèi)針對(duì)水平埋管換熱器方面成熟的傳熱模型和設(shè)計(jì)方法的研究還較為缺乏。李志方等人利用FLUENT軟件對(duì)水平螺旋埋管換熱器的傳熱特性進(jìn)行了研究。對(duì)影響水平螺旋埋管與回填材料及土壤之間傳熱特性的因素進(jìn)行分析，包括具體包括管內(nèi)水的流速、進(jìn)口水溫、回填材料、埋設(shè)深度、螺旋環(huán)直徑、節(jié)距、防凍液等，得到了不同工況下水平螺旋埋管換熱器傳熱特性的變化規(guī)律，確定熱干擾的存在，并就螺旋環(huán)直徑、節(jié)距對(duì)熱干擾的影響進(jìn)行了研究。揚(yáng)州大學(xué)楊衛(wèi)波、孔磊等人基于有限差分法建立了水平螺旋型地埋管換熱器的傳熱數(shù)學(xué)模型，分析了地下水滲流速度、地下水位、土壤孔隙率、土壤類型對(duì)其換熱量及其周圍土壤溫度分布的影響。得出結(jié)論，隨著地下水滲流速度和土壤孔隙率的增加，水平螺旋埋管的換熱性能提高。

三、新型水平螺旋形地埋管的設(shè)計(jì)

(一)設(shè)計(jì)方案。初步設(shè)計(jì)出一種高效水平螺旋型埋管的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。就土壤類型而言，粘土和沙地較適合螺旋形埋管系統(tǒng)，且土壤潮濕可以加大土壤導(dǎo)熱系數(shù)；對(duì)于不同螺距而言，250mm螺距最為適合；對(duì)于螺旋形埋管而言，其埋深僅需3～4m，對(duì)比于豎直型埋管50～100m的埋深，大大降低了鉆孔成本；本文中的高效水平埋管螺距為250mm，采用2×2式鋪設(shè)方式，采用水泥基回填材料，埋深3～4m，適用于粘土與沙地的土壤環(huán)境，且施工時(shí)在溝底中鋪設(shè)一定厚度的黃沙，平整后將本作品水平放置于溝中，利用水壓試驗(yàn)確保不泄漏，最后利用回填材料進(jìn)行回填，并將進(jìn)出口管路外露于地表面，以便于與外接管道連接，在此基礎(chǔ)上的換熱性能能夠達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖1 俯視圖

四、水平螺旋型地埋管換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題

(一)螺距大小。螺距即螺旋各圈之間的間距，其大小直接影響了螺旋管的長(zhǎng)度以及埋管各方向的溫度分布，對(duì)螺旋管的換熱性能有很大的影響。螺距越大，螺旋管的單位管長(zhǎng)換熱量越大，且地下空間不能被充分利用。螺距越小，越容易引起螺旋管間的熱干擾甚至短路現(xiàn)象，不利于螺旋管換熱。因此設(shè)計(jì)出合適的螺距十分重要。

(二)排布方式。排布方式對(duì)螺旋管的換熱性能影響重大。相較于平常的排布方式，在本文中采用了2×2式的排布方式，具體結(jié)構(gòu)圖參照?qǐng)D1、圖2，兩排兩列結(jié)構(gòu)，每層每列埋管之間的間距根據(jù)實(shí)際負(fù)荷大小而變動(dòng)，其特殊的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)能夠減小埋管的密集程度，在一定程度上會(huì)加速累積熱量的及時(shí)擴(kuò)散，減小土壤熱失衡帶來(lái)的影響。

(三)埋深。對(duì)于傳統(tǒng)的水平埋管而言，其埋深雖然只有2m左右，但是其占地面積龐大，而豎直型埋管的埋深則有50～100m，鉆孔成本極高。由于存在這兩種顯著的缺點(diǎn)，致使地源熱泵無(wú)法大面積推廣，因此綜合兩者優(yōu)點(diǎn)的水平螺旋型埋管的埋深僅需控制在3～4m，普通挖掘機(jī)即可完成，大大減小了施工成本。

五、結(jié)語(yǔ)

水平螺旋型地埋管換熱器的研究還不夠完善，但是，已有的研究表明，在提高地埋管換熱器的換熱性能以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，水平螺旋型地埋管有著廣闊的發(fā)展前景。為進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用，針對(duì)各個(gè)不同影響因素對(duì)水平螺旋型地埋管換熱性能的影響是研究的重點(diǎn)。地源熱泵在我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，具有很大的市場(chǎng)發(fā)展前景。而作為與土壤換熱的重要設(shè)備，水平螺旋型埋管，因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展前景也是十分廣闊。