基于Fluent模擬的地埋管周圍不同深度土壤溫度場(chǎng)變化分析

李坤坤　康琳　支鵬羽　于瑞佼　馬坤茹

摘? 要：利用Gambit建模軟件建立簡(jiǎn)單的埋管模型，并定義其邊界條件，利用Fluent數(shù)值模擬軟件分別模擬距離埋管中心不同距離處測(cè)點(diǎn)溫度變化情況，并且在不同距離處設(shè)置不同深度的測(cè)點(diǎn)，經(jīng)過為期六年的間歇性連續(xù)模擬，最終得出距離埋管中心距離相同時(shí)，土壤各測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)因測(cè)點(diǎn)的深度不同而不同，且深度越大，溫度越低;測(cè)點(diǎn)深度相同時(shí)，土壤各測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)因測(cè)點(diǎn)距埋管中心距離不同而不同，且距離越遠(yuǎn)溫度越低，但是，無(wú)論哪一種情況，每年取熱完成之后各測(cè)點(diǎn)溫度都有所升高，即每年完成系統(tǒng)正常運(yùn)行后土壤溫度都有所升高。

關(guān)鍵詞：地埋管;不同深度;數(shù)值模擬;溫度場(chǎng);變化分析

1? 引言

我國(guó)北方寒冷地區(qū)污染嚴(yán)重，清潔能源供熱逐漸替代燃煤供熱，地源熱泵供熱得到廣泛認(rèn)可，因?yàn)槲覈?guó)北方寒冷地區(qū)采暖期比較長(zhǎng)，冷熱負(fù)荷不均衡，長(zhǎng)期使用導(dǎo)致地下溫度逐漸降低，采暖效果受到影響，一般采用加熱器輔助加熱，考慮到北方寒冷地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，在非采暖季將太陽(yáng)能的熱量轉(zhuǎn)移到土壤中儲(chǔ)存，即解決地下溫度場(chǎng)不平衡問題又有效利用清潔能源做到節(jié)能減排，順應(yīng)時(shí)代潮流。所以對(duì)地下溫度場(chǎng)進(jìn)行全面的研究才能讓我們更好地掌握和應(yīng)用該系統(tǒng)。

2? 太陽(yáng)能耦合地源熱泵系統(tǒng)

2.1? 系統(tǒng)組成

由圖1可以看出，該系統(tǒng)主要可以分為三部分：集熱器、蓄熱庫(kù)及熱用戶。

2.2? 系統(tǒng)運(yùn)行情況

2.2.1 在非采暖季節(jié)運(yùn)行情況

在非采暖季節(jié)，集熱器吸收太陽(yáng)能加熱罐中的熱水使其高溫度，達(dá)到設(shè)定溫度后，啟動(dòng)預(yù)埋管道中的熱水循環(huán)將熱量轉(zhuǎn)移到土壤中使其溫度升高，土壤用作儲(chǔ)熱體，以儲(chǔ)存冬季取暖的熱量。

2.2.2 在供暖季節(jié)運(yùn)行情況

2.2.2.1 白天太陽(yáng)光照射度較高時(shí)，集熱器收集太陽(yáng)光的熱量通過板式換熱器1、2為用戶供暖。在用戶需要熱量較多時(shí)，存儲(chǔ)在土壤中的熱量可以通過板式熱交換器3為用戶供熱。

2.2.2.2 白天太陽(yáng)光照射度較低或晚上無(wú)光時(shí)，主要利用埋管中儲(chǔ)存的熱量通過板式換熱器3為用戶供暖，不足的部分可由輔助熱源通過板式換熱器2為用戶提供熱量。

3? 垂直U型管傳熱數(shù)學(xué)模型

3.1? 模型建立情況

采用線源模型，該模型將垂直預(yù)埋管看作一均勻的線熱源，將管外的蓄熱體視為一個(gè)實(shí)體。假設(shè)該線源沿深度方向單位長(zhǎng)度的熱流為一固定常量，即具有恒定的熱流。埋管模型建立時(shí)參數(shù)選擇見下表1：

具體模型及網(wǎng)格劃分情況見上圖2：

本文埋管周圍蓄熱體以粘土為例進(jìn)行研究，計(jì)算過程中設(shè)置距離埋管不同距離不同深度的測(cè)點(diǎn)，材料的物性參數(shù)取值如下：粘土（含水量15%）：密度1925[kgm3]、比熱容1298.7[Jkg?K]、導(dǎo)熱系數(shù)1.5[W/m?K];水：密度998.2[kgm3]、比熱容4182[Jkg?K]、導(dǎo)熱系數(shù)0.6[W/m?K]。

3.2? 模擬結(jié)果分析

系統(tǒng)進(jìn)行六年間歇性連續(xù)運(yùn)行，期間加載UDF程序完成對(duì)太陽(yáng)能光照時(shí)間、流體流速以及溫度的控制，模擬過程中在埋管周圍設(shè)置不同的測(cè)點(diǎn)，橫向測(cè)點(diǎn)距離埋管中心距離分別為1.1m，3.1m，和5.1m，再在不同中心距處設(shè)置不同的深度，分別為5m，10m，15m，通過比較過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，最終根據(jù)每年取熱完成后土壤溫度情況分析溫度場(chǎng)分布，具體數(shù)據(jù)見下圖：

由以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離埋管中心距離相同時(shí)，不同深度的測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)大致相同，但具體數(shù)值不同，可以每年取熱完成后看出來(lái)深度越深的測(cè)點(diǎn)溫度越低，深度越淺的測(cè)點(diǎn)溫度越高，并且隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，因?yàn)橥寥乐械臒崃繜o(wú)法百分之百取出來(lái)，各測(cè)點(diǎn)溫度都有所提升。

由圖8數(shù)據(jù)可知，不同埋管深度時(shí)，不同測(cè)點(diǎn)溫度變化情況不同，但是每年的變化趨勢(shì)基本一致，可以觀察到在系統(tǒng)每年取熱結(jié)束后，距離埋管間距越近，溫度越高，而越遠(yuǎn)的位置相對(duì)較低。

由圖9可知，每年取熱完成以后，埋管深度相同時(shí)，距離埋管越遠(yuǎn)土壤溫度越低，且不同埋管深度的變化趨勢(shì)一致。

4? 結(jié)論

（1）每年取熱結(jié)束后，距埋管中心間距不同的測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)大致相同，且距離埋管中心間距相同時(shí)，深度越大的測(cè)點(diǎn)每年取熱結(jié)束后溫度越低。

（2）每年取熱取熱結(jié)束后，深度不同的測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)相同，且深度相同時(shí)，距離埋管中心距離較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)溫度變化幅度較大，距離埋管中心越遠(yuǎn)，土壤溫度越低。

（3）取熱結(jié)束后蓄熱體溫度逐年升高，無(wú)法把儲(chǔ)存在蓄熱體中熱量百分之百提取出來(lái)，且預(yù)埋管只做頂部保溫，沒有考慮四周及底部保溫，實(shí)際會(huì)造成能量損失，需要今后逐漸完善該部分內(nèi)容。

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