運(yùn)行模式對毛細(xì)管換熱器換熱性能影響研究

曹廷濤，佟 振，胡松濤，劉國丹，王依梅(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266033)

地鐵在運(yùn)行過程中不斷產(chǎn)生大量廢熱，隧道內(nèi)長期的熱量堆積會造成隧道及周圍巖體溫度上升[1]，不僅會影響地鐵隧道的熱環(huán)境，還會破壞地下巖體的熱平衡.為解決這一問題，地源熱泵技術(shù)在地下隧道的應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注[2-4].地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用，既可以緩解隧道溫度升高的現(xiàn)狀，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對地?zé)崮艿睦?2011年，F(xiàn)RANZIUS J N等[5]在預(yù)制混凝土區(qū)間隧道中通過嵌入塑料管以收集鄰近地層的熱量，為位于隧道上方的1座建筑提供大約40 kW的供暖需求.2015年，胡松濤等[6]首次提出將毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)于地鐵隧道圍巖內(nèi)作為地源熱泵系統(tǒng)的前端換熱器，相比于傳統(tǒng)形式的地埋管等熱交換管，毛細(xì)管在隧道中的應(yīng)用，具有施工方便、占地面積小、傳熱面積大、傳熱效果好等優(yōu)點(diǎn).

目前，針對傳統(tǒng)地埋管換熱性能和設(shè)計(jì)方法的研究已有很多[7-10].2017年，宮樹娟[9]采用基于線源理論的單 U 形地埋管換熱性能簡易計(jì)算模型，利用正交試驗(yàn)法對7個影響地埋管換熱性能的因素進(jìn)行了敏感性分析.2018年，郭春梅等[10]為了緩解埋管區(qū)域土壤的熱量堆積問題，提出了埋管換熱器按內(nèi)中外、塊狀、間隔3種分區(qū)運(yùn)行的策略.而對于以毛細(xì)管為前端換熱器的地鐵地源熱泵系統(tǒng)，目前的研究主要集中在青島理工大學(xué)胡松濤課題組.高號[11]通過建立CFD仿真模型分析了管內(nèi)流速、管間距和管長等因素對毛細(xì)管換熱器換熱的影響.孫福杰[12]通過簡易試驗(yàn)分析了流速、進(jìn)水溫度和進(jìn)出口壓差對毛細(xì)管換熱器換熱量的影響.

由于圍巖體具有蓄熱性，溫度和熱量的傳遞具有滯后性，毛細(xì)管周圍的巖體溫度升高或者降低，會影響后面的熱交換過程.本文將利用毛細(xì)管傳熱的TRNSYS仿真計(jì)算模型分析運(yùn)行模式對換熱器換熱量的影響情況，優(yōu)化毛細(xì)管換熱器設(shè)計(jì).

1 模型及驗(yàn)證

1.1 仿真模型

以毛細(xì)管為前端換熱器的地鐵隧道地源熱泵系統(tǒng)形式如圖1(a)所示，毛細(xì)管敷設(shè)于隧道二襯與一襯之間，作為熱泵系統(tǒng)源側(cè)的能量采集器，故稱為毛細(xì)管前端換熱器.毛細(xì)管前端換熱器管材為PP-R，管徑為4.3 mm×0.85 mm，管間距為20 mm，每片管席上有毛細(xì)管48根，毛細(xì)管結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示.

圖1 毛細(xì)管前端換熱器布置及結(jié)構(gòu)

王依梅[13]取二襯表面到圍巖無限遠(yuǎn)處的一小塊微元體為分析對象，將毛細(xì)管前端換熱器簡化成敷設(shè)于砂漿保護(hù)層中的平板換熱器，進(jìn)行了毛細(xì)管在隧道襯砌中的傳熱過程計(jì)算，得到了換熱器出口溫度的逐時(shí)解.在此基礎(chǔ)上，利用TRNSYS軟件建立了毛細(xì)管前端換熱器仿真計(jì)算模型，如圖2所示.

其中，Type14h組件主要用于毛細(xì)管前端換熱器運(yùn)行模式控制，如取冷、取熱和停止，可設(shè)置總共模擬時(shí)長以及各個狀態(tài)的模擬時(shí)長；canshu計(jì)算器和R計(jì)算器用于計(jì)算毛細(xì)管前端換熱器計(jì)算所需的各項(xiàng)熱阻；Type813為毛細(xì)管前端換熱器計(jì)算模塊；Type9a和Type9a-2可通過導(dǎo)入外部文件輸入換熱器進(jìn)口水溫和隧道空氣溫度；Type65c輸出計(jì)算結(jié)果.

1.2 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證的數(shù)據(jù)取自1個工程項(xiàng)目的試驗(yàn)測試，測試時(shí)間為3月份，共計(jì)22.5h.根據(jù)實(shí)際測試情況設(shè)置計(jì)算模型參數(shù)，將隧道空氣溫度和換熱器進(jìn)口溫度作為已知量導(dǎo)入計(jì)算模型，計(jì)算毛細(xì)管的出口溫度，模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的對比情況如圖3所示.對應(yīng)的模擬值和實(shí)測值的數(shù)值點(diǎn)共270個，毛細(xì)管換熱器出口溫度模擬值與實(shí)測值的平均相對誤差為-2.71%，其中有24個數(shù)據(jù)相對誤差的絕對值大于8%，87.04%的計(jì)算值與實(shí)測值的相對誤差在5%以內(nèi).模擬計(jì)算時(shí)，毛細(xì)管中的水、毛細(xì)管管壁、圍巖各處的溫度都設(shè)置為15.5 ℃，實(shí)際上，在隧道施工過程中，圍巖和襯砌之間以及圍巖和空氣之間一直在進(jìn)行熱量交換，各處溫度不一致，故在運(yùn)行初期，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相差較大.從圖3可以看出，在運(yùn)行中后期(大于等于3 h)，毛細(xì)管前端換熱器出水溫度模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合良好.計(jì)算模型是正確和可靠的.

圖3 隧道空氣溫度及毛細(xì)管換熱器出口溫度隨時(shí)間變化情況

1.3 隧道空氣溫度

隧道空氣作為毛細(xì)管換熱器熱量的重要來源和蓄熱體，隧道空氣溫度的高低對毛細(xì)管換熱性能有重要影響.換熱器性能分析仿真計(jì)算時(shí)所用隧道空氣溫度參數(shù)取實(shí)測數(shù)據(jù).隧道空氣溫度每0.5 h采集記錄1次，連續(xù)測試7 d.受眾多因素的影響，隧道空氣溫度近似呈周期性變化.短期內(nèi)隧道空氣溫度大小及變化規(guī)律基本相同，某地鐵隧道夏季、冬季隧道空氣溫度日變化情況如圖4所示.

從圖4可以看出，夏季、冬季隧道空氣溫度日變化規(guī)律基本相同.夏季隧道空氣溫度最低為30.8 ℃，最高為33.5 ℃，平均溫度為32.3 ℃.受室外溫度的影響，冬季隧道空氣溫度整體要低于夏季，冬季隧道空氣溫度最低為20.7 ℃，最高溫度為24.4 ℃，平均溫度為23.2 ℃.夏季日隧道空氣溫差為2.6 ℃，冬季日隧道空氣溫差為3.7 ℃，隧道空氣日溫差較小，且夏季隧道空氣日溫差小于冬季.

圖4 隧道空氣溫度日變化情況

2 運(yùn)行模式影響下的毛細(xì)管換熱性能分析

基于驗(yàn)證的毛細(xì)管前端換熱器仿真計(jì)算模型，通過模擬計(jì)算，分析了夏季和冬季工況下運(yùn)行模式對毛細(xì)管換熱性能的影響情況.毛細(xì)管面積取10 m2，毛細(xì)管內(nèi)介質(zhì)為水，管內(nèi)流速取0.1 m/s.進(jìn)口水溫夏季取38 ℃，冬季取5 ℃.圍巖初始溫度為16 ℃，圍巖導(dǎo)熱系數(shù)為2.2 W/(m·K)，熱擴(kuò)散率為0.9×10-6m2/s.以測試所得的24 h隧道空氣溫度為計(jì)算參數(shù)，夏季隧道空氣溫度平均為32.3 ℃，冬季為23.2 ℃.模擬運(yùn)行時(shí)長為5 d.

2.1 連續(xù)運(yùn)行

連續(xù)運(yùn)行時(shí)毛細(xì)管單位面積換熱量隨時(shí)間的變化情況如圖5所示.由圖5可知，毛細(xì)管單位面積換熱量隨運(yùn)行時(shí)間延長而降低，長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行將降低毛細(xì)管前端換熱器的換熱性能.在該計(jì)算工況下，連續(xù)運(yùn)行時(shí)長對毛細(xì)管換熱器換熱性能的影響，夏季要大于冬季.夏季制冷時(shí)，連續(xù)運(yùn)行時(shí)長由24 h增加至120 h，單位面積換熱量由67.61 W/m2降低至48.24 W/m2，換熱性能降低了29%.冬季時(shí)，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間由24 h增加至120 h，單位面積換熱量由69.23 W/m2降低至 61.93 W/m2，換熱性能降低了11%.

2.2 間歇運(yùn)行

長時(shí)間換熱后，毛細(xì)管周圍巖體中會堆積冷熱量，影響后續(xù)換熱過程，換熱器換熱量逐漸降低.間歇運(yùn)行概念是根據(jù)建筑環(huán)境中供熱供冷系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行具有間斷的特點(diǎn)和地溫的可恢復(fù)性提出的高效利用地溫能的有效措施[14].地鐵源熱泵系統(tǒng)的日運(yùn)行時(shí)間要根據(jù)上部建筑的特點(diǎn)和服務(wù)功能以及建筑空調(diào)系統(tǒng)而定.

運(yùn)行期每天設(shè)置運(yùn)行16 h間隔8 h、運(yùn)行12 h間隔12 h、運(yùn)行8 h間隔16 h、運(yùn)行4 h間隔20 h，用日運(yùn)行時(shí)間比來表示，則日運(yùn)行時(shí)間比分別為2/3，1/2，1/3，1/6.模擬計(jì)算時(shí)長仍設(shè)為5 d.

2.2.1 夏季工況

夏季工況時(shí)不同日運(yùn)行時(shí)間對毛細(xì)管換熱性能的影響情況如圖6所示.在相同的換熱時(shí)間條件下，日運(yùn)行時(shí)間比越小，毛細(xì)管前端換熱器每天向隧道空氣和圍巖釋放熱量的時(shí)間越短，毛細(xì)管周圍巖體溫度可恢復(fù)(即溫度回落)的時(shí)間就相應(yīng)的長一些，換熱器單位面積釋熱量越高.通過減小系統(tǒng)日運(yùn)行時(shí)間比，可以提高毛細(xì)管換熱器在運(yùn)行期內(nèi)整體的取冷性能.日運(yùn)行時(shí)間比為2/3，1/2，1/3，1/6，系統(tǒng)運(yùn)行5 d后，間歇運(yùn)行時(shí)毛細(xì)管前端換熱器單位面積換熱量比連續(xù)運(yùn)行時(shí)分別提高了7%，9%，18%，29%.可以看出，夏季工況時(shí)當(dāng)日運(yùn)行時(shí)間比小于等于1/3時(shí)，毛細(xì)管換熱器換熱性能有大幅度改善.當(dāng)日運(yùn)行時(shí)間比為1/3，運(yùn)行時(shí)長為1 ，2 ，3 ，4，5 d時(shí)，毛細(xì)管前端換熱器單位面積換熱量比連續(xù)運(yùn)行時(shí)分別提高了10%，13%，15%，17%，18%.

需要注意的是，在該計(jì)算條件下，當(dāng)日運(yùn)行時(shí)間比為2/3，1/2時(shí)，毛細(xì)管單位面積換熱量相差不大.另外，當(dāng)隧道空氣溫度高于圍巖初始溫度，即使毛細(xì)管前端換熱器不再向隧道空氣和圍巖中放熱，圍巖體溫度場也無法恢復(fù)至運(yùn)行前狀態(tài).

2.2.2 冬季工況

冬季工況時(shí)不同日運(yùn)行時(shí)間對毛細(xì)管換熱性能的影響情況如圖7所示.在相同的換熱時(shí)間條件下，日運(yùn)行時(shí)間比越小，毛細(xì)管前端換熱器每天從隧道空氣和圍巖取熱的時(shí)間越短，毛細(xì)管周圍巖體溫度可恢復(fù)(即溫度回升)的時(shí)間就相應(yīng)的長一些，換熱器單位面積取熱量越高.通過減小系統(tǒng)日運(yùn)行時(shí)間比，可以提高毛細(xì)管換熱器在運(yùn)行期內(nèi)整體的取熱性能.日運(yùn)行時(shí)間比為2/3，1/2，1/3，1/6，系統(tǒng)運(yùn)行5 d后，間歇運(yùn)行時(shí)毛細(xì)管前端換熱器單位面積換熱量比連續(xù)運(yùn)行時(shí)分別提高了11%，22%，28%，37%.可以看出，冬季工況時(shí)通過減少毛細(xì)管的換熱時(shí)間，毛細(xì)管換熱器換熱性能有明顯改善，且間歇運(yùn)行對于毛細(xì)管換熱性能的改善效果，冬季要優(yōu)于夏季.當(dāng)日運(yùn)行時(shí)間比為1/3，運(yùn)行時(shí)長為1 ，2 ，3 ，4，5 d時(shí)，毛細(xì)管換熱器單位面積換熱量比連續(xù)運(yùn)行時(shí)分別提高了15%，21%，24 %，26%，28%.

在該計(jì)算條件下，當(dāng)系統(tǒng)日運(yùn)行時(shí)間比為1/3時(shí)即日運(yùn)行時(shí)間為8 h，毛細(xì)管單位面積換熱量隨運(yùn)行時(shí)間延長基本保持不變；當(dāng)系統(tǒng)日運(yùn)行時(shí)間比小于1/3時(shí)即日運(yùn)行時(shí)間少于8 h時(shí)，毛細(xì)管單位面積換熱量隨運(yùn)行時(shí)間延長而增大.這主要是因?yàn)橄到y(tǒng)日運(yùn)行小于等于8 h時(shí)，其每天從隧道空氣和圍巖中取熱的時(shí)間短，圍巖初始溫度恢復(fù)的時(shí)間長，且隧道空氣溫度高于圍巖初始溫度，空氣向襯砌和圍巖中傳熱，當(dāng)毛細(xì)管再次開始取熱時(shí)，圍巖溫度高于上次換熱前的圍巖溫度.

3 結(jié)論

本文利用地鐵地源熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了毛細(xì)管傳熱的TRNSYS仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，通過模擬計(jì)算了夏季取冷和冬季取熱工況下毛細(xì)管的換熱量，分析了連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行對毛細(xì)管換熱性能的影響，結(jié)果表明：長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行不利于毛細(xì)管與周圍巖土體的熱交換，將導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱性能降低；日運(yùn)行時(shí)間越短，換熱器單位面積換熱量越高，且間歇運(yùn)行對于毛細(xì)管換熱性能的改善效果，冬季要優(yōu)于夏季；當(dāng)日運(yùn)行時(shí)間小于等于8 h時(shí)，連續(xù)換熱5 d后，夏季工況毛細(xì)管前端換熱器單位面積換熱量比連續(xù)運(yùn)行時(shí)提高18%，冬季工況提高28%.