地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合式單 U 埋管系統(tǒng)換熱研究

余元波，夏繼豪，劉 俊，車輪飛，陳玉遠(yuǎn)

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

1 背景

目前，全世界正面臨能源和環(huán)境這兩大問題，地源熱泵系統(tǒng)具有可再生、儲存量大、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在學(xué)校、醫(yī)院、住宅等各類建筑中都得到應(yīng)用。地源熱泵系統(tǒng)主要分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)和地下水地源熱泵系統(tǒng)3種形式，國內(nèi)外對各類形式的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。

地埋管地源熱泵系統(tǒng)屬于封閉式系統(tǒng)，使水或其他介質(zhì)在封閉回路中循環(huán)達(dá)到換熱目的，可以克服其他2類系統(tǒng)的缺點(diǎn)，因此環(huán)境保護(hù)性和適用性較好[1]。Liang Pu對直列和交錯的水平埋管布置進(jìn)行比較評估，并研究了交錯管道相對位移、彎曲次數(shù)、管間距和埋深對水平地埋式換熱器熱工性能的綜合影響[2]。G. Liu提出了一種基于表面熱源的毛細(xì)管換熱器一維簡化板式傳熱計(jì)算方法，并分析了進(jìn)水溫度、襯砌導(dǎo)熱系數(shù)、圍巖導(dǎo)熱系數(shù)和圍巖熱擴(kuò)散率等因素對換熱器性能的影響[3]。J. Gao通過對現(xiàn)場上海地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行傳熱性能試驗(yàn)，討論了樁型、介質(zhì)流量和入口溫度對熱工性能的影響，找出了最高效的能源樁基類型[4]。C. Xia通過對上海自然博物館進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)，研究了連續(xù)墻換熱器的傳熱性能及其影響因素，包括換熱器類型、水速、進(jìn)水溫度和運(yùn)行方式[5]。M. Sun研究了連續(xù)墻地?zé)釗Q熱器的傳熱模型和設(shè)計(jì)方法，建立了連續(xù)墻換熱器的二維傳熱模型，進(jìn)一步提出其設(shè)計(jì)方法[6]。

地鐵車站作為城市區(qū)域中最常見的地下工程之一，其地下結(jié)構(gòu)眾多，具有作為地下?lián)Q熱結(jié)構(gòu)的先天優(yōu)勢。因此，可考慮將地源熱泵系統(tǒng)的地埋管與地鐵車站的基坑圍護(hù)墻、工程樁等地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合，使得地埋管與地下結(jié)構(gòu)共同成為地下?lián)Q熱器，從而為上部建筑供熱或供冷。該技術(shù)不僅可解決傳統(tǒng)地埋管地源熱泵系統(tǒng)初始成本高、占地面積大的缺點(diǎn)，還具有傳熱效果好、安全穩(wěn)定、使用壽命長、不占用額外空間等優(yōu)點(diǎn)。由于地源熱泵系統(tǒng)尚未有在地鐵車站應(yīng)用的案例，因此很有必要開展地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合式埋管系統(tǒng)的研究。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合埋管模型

2.1 模型建立

對于地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)而言，圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合埋管系統(tǒng)中的換熱埋管其毫米級別的尺寸過小，若使用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）仿真軟件模擬，需在圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型中建立完整的換熱埋管模型，這不僅會給初期的建模工作增加難度，還會在網(wǎng)格劃分階段使換熱埋管附近的網(wǎng)格密度過高，從而大大增加模擬計(jì)算時間。多物理場直接耦合分析軟件（COMSOL Multiphysics）可以將圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的換熱埋管簡化為一條線，并將這條線定義為非等溫管道流進(jìn)行換熱模擬，這樣既簡化了物理模型，又避免了網(wǎng)格局部過密過大以適當(dāng)縮短模擬計(jì)算時間，便于后期模擬更多工況。

本文選取某城市典型地鐵車站為例，采用COMSOL Multiphysics建立車站的地下連續(xù)墻、底板和頂板的耦合式單U埋管模型進(jìn)行換熱研究。其中，地下連續(xù)墻較為特殊，在豎向方向上存在2個換熱過程差異較大的區(qū)域，因此將其分為頂部連續(xù)墻和底部連續(xù)墻2 個部分（頂部連續(xù)墻為連續(xù)墻底板以上部分，其僅存在一面與土壤層接觸換熱；底部連續(xù)墻部為連續(xù)墻底板以下部分，其連續(xù)墻結(jié)構(gòu)兩側(cè)均與土層接觸換熱），各部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合式埋管模型如圖1所示。

車站地下連續(xù)墻厚度按800 mm計(jì)算，土壤層部分理論上應(yīng)是無限大區(qū)域，但是考慮到模型大小有限，只建立總厚度約10 m的土壤層（頂板以上土層除外）模型，并假設(shè)其與埋管能進(jìn)行充分換熱，初步研究單U埋管的換熱性能，各部分的模型特征如表1所示。

表1 各部分單元塊模型特征

2.2 模型參數(shù)設(shè)定

埋管在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中與土壤層進(jìn)行換熱是一個非常復(fù)雜的過程，涉及到諸多不確定變量，因此為了簡化理論分析及模擬計(jì)算，現(xiàn)做如下假定[7]：①除了頂板上面覆蓋的土壤層以外，其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)接觸土壤層的初始溫度均為原始地溫，不隨深度變化而變化；②各個材料的熱物性參數(shù)不隨溫度變化發(fā)生變化；③將埋管簡化為沿著流動方向的一維非穩(wěn)態(tài)流動，簡化計(jì)算；④忽略沿著埋管管長方向的傳熱，將三維傳熱模型簡化為二維不穩(wěn)定導(dǎo)熱問題；⑤圍護(hù)結(jié)構(gòu)與空氣接觸面一側(cè)，為對流邊界條件；⑥不與墻體接觸的土壤層邊界假定為無限遠(yuǎn)，其溫度不受埋管運(yùn)行影響。

根據(jù)假定，圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合埋管系統(tǒng)傳熱模型的具體設(shè)置如表2所示。

表2 傳熱模型邊界條件設(shè)置

除了必要的模型尺寸以及土壤熱物性參數(shù)之外，還需設(shè)置埋管直徑、循環(huán)水流速、進(jìn)水溫度、原始地溫、運(yùn)行時長、計(jì)算步長等各項(xiàng)參數(shù)才能進(jìn)行換熱模擬。其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合埋管系統(tǒng)的換熱性能主要受埋管間距、循環(huán)水流速、進(jìn)水溫度、原始地溫等因素影響，因此本文將這些因素作為變量，通過變工況模擬方法探究各個因素對圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合埋管系統(tǒng)換熱性能的影響規(guī)律。本文數(shù)值模擬中換熱系統(tǒng)運(yùn)行時間為72 h，計(jì)算步長為5 min，埋管直徑按20 mm計(jì)算，其余的參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 模擬參數(shù)設(shè)置表

3 耦合式埋管換熱能力及影響因素分析

3.1 換熱能力分析

地鐵車站頂板相對于地下連續(xù)墻和底板的埋深較淺，其上的土壤層存在一個較大的溫度梯度，會對埋管的換熱能力產(chǎn)生很大影響。根據(jù)對該地鐵車站周圍土壤層的地溫測試匯總分析，得到土壤層溫度隨深度的變化趨勢如圖2所示。由圖可知，在深度小于5 m時，土壤層的溫度梯度較大，基本呈線性衰減；在深度從5 m變化為6 m時，土壤層溫度呈較大衰減；在6 m及以下深度時土壤層溫度已基本穩(wěn)定在17～18℃之間。因此，對地下連續(xù)墻和底板所接觸的土壤層設(shè)置成不隨深度變化的恒定溫度值是合理的，而頂板則需考慮實(shí)際溫度梯度。

圖2 土壤層溫度隨深度變化曲線圖

頂部連續(xù)墻、底部連續(xù)墻、底板和頂板的埋管系統(tǒng)在運(yùn)行72 h后，各處埋管的延米換熱量如圖3所示，頂部連續(xù)墻、底部連續(xù)墻、底板的埋管延米換熱量均在40 ～50 W/m之間，而頂板的埋管延米換熱量只有10 W/m左右。由此可以判斷，頂板耦合埋管系統(tǒng)的換熱能力相對較差，不適合作為耦合式換熱結(jié)構(gòu)，下面的研究只考慮頂部連續(xù)墻、底部連續(xù)墻和底板這3類圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合埋管系統(tǒng)。

圖3 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)埋管延米換熱量對比

3.2 換熱影響因素分析

3.2.1 進(jìn)水溫度對延米換熱量的影響

不同進(jìn)水溫度下，分析頂部連續(xù)墻、底部連續(xù)墻及底板3類圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合式單U埋管系統(tǒng)的換熱量，運(yùn)行72 h后埋管的延米換熱量如圖4所示，由圖可知埋管系統(tǒng)的延米換熱量均隨著進(jìn)水溫度的增加而增加，且底部連續(xù)墻的埋管延米換熱量均最大。說明埋管延米換熱量受進(jìn)水溫度變化影響，當(dāng)原始地溫不變時，進(jìn)水溫度越高，循環(huán)水與土壤層之間的溫差越大，換熱量就越大。

圖4 不同進(jìn)水溫度下埋管延米換熱量對比

3.2.2 原始地溫對延米換熱量的影響

不同原始地溫下，分析頂部連續(xù)墻、底部連續(xù)墻及底板3類圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合式單U埋管系統(tǒng)的換熱量，運(yùn)行72 h后埋管的延米換熱量如圖5所示，由圖可知埋管系統(tǒng)的延米換熱量均隨著原始地溫的減小而增加。說明原始地溫是影響埋管換熱的顯著因素，原始地溫越小，循環(huán)水與土壤層之間的溫差越大，換熱量就越大。

圖5 不同原始地溫下埋管延米換熱量對比

3.2.3 埋管間距對延米換熱量的影響

不同埋管間距下，分析頂部連續(xù)墻、底部連續(xù)墻及底板3類圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合式單U埋管系統(tǒng)的換熱量，運(yùn)行 72 h后埋管的延米換熱量如圖6所示，由圖可知埋管系統(tǒng)的延米換熱量隨著埋管間距從0.5 m增加到1 m時有所增加， 1m之后各埋管延米換熱量基本保持穩(wěn)定。說明適當(dāng)增大換熱埋管間距，相鄰埋管間的影響會減小，換熱效果會增加。當(dāng)車站可用于布置埋管的圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積不變時，增大換熱埋管間距會導(dǎo)致可布置的埋管總長度減少，因此應(yīng)根據(jù)車站負(fù)荷大小選擇適宜的埋管間距。

圖6 不同埋管間距埋管延米換熱量對比

3.2.4 循環(huán)水流速對延米換熱量的影響

不同循環(huán)水流速下，分析頂部連續(xù)墻、底部連續(xù)墻及底板3類圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合式單U埋管系統(tǒng)的換熱量，運(yùn)行72 h后埋管的延米換熱量如圖7所示，由圖可知埋管系統(tǒng)的延米換熱量隨著循環(huán)水流速的增加基本保持不變，說明埋管內(nèi)循環(huán)水流速對換熱量的影響很小。

圖7 不同循環(huán)水流速下埋管延米換熱量對比

4 耦合式埋管循環(huán)水出口溫度分析

循環(huán)水出口溫度是圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合埋管系統(tǒng)換熱性能的評價指標(biāo)之一，在進(jìn)行了前文單U埋管換熱模擬之后發(fā)現(xiàn)，在與土壤層進(jìn)行了72 h換熱之后得到的循環(huán)水出口溫度普遍較高，將大大降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合埋管系統(tǒng)的運(yùn)行效率?？紤]到循環(huán)水流速的變化雖然對埋管延米換熱量影響很小，但是其對埋管流量影響很大，從而影響埋管的循環(huán)水出水溫度。下面以底部連續(xù)墻為例，循環(huán)水流速作為變量，對5個工況下循環(huán)水出口溫度及延米換熱量進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同循環(huán)水流速下埋管循環(huán)水出口溫度變化

由圖可知，循環(huán)水出口溫度隨著流速的增加而增加，而循環(huán)水流速對于埋管延米換熱量影響有限。同時，隨著循環(huán)水流速的增加，在埋管換熱量一定的情況下，循環(huán)水換熱溫差會減小，導(dǎo)致埋管出水溫度提升。由仿真結(jié)果可以看出，經(jīng)過72 h換熱之后，5個工況下的埋管循環(huán)水出口溫度均高于34℃，冷凝換熱溫差較?。ㄟM(jìn)水溫度為35℃），冷卻水平均水溫較高。以機(jī)組制冷工況為例，較高的冷卻水溫度會導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行于低能耗區(qū)間，運(yùn)行能效優(yōu)勢不明顯，且難以滿足機(jī)組冷凝器所需的冷凝換熱溫差。相較于一般垂直地埋管地源熱泵幾十米到幾百米之間的埋管深度，本研究的圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合式換熱器受限于地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸，難以采用提升單U型換熱埋管管長的方法來強(qiáng)化換熱，即常規(guī)單U型圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合埋管換熱器的換熱量存在瓶頸，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中需要通過串聯(lián)多組單U換熱單元等措施提升該換熱器的換熱能力及冷凝水溫差，并根據(jù)地鐵車站負(fù)荷的大小合理配置耦合式埋管系統(tǒng)。

5 結(jié)論

本文以地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合式單U埋管系統(tǒng)為研究對象，建立了車站底部連續(xù)墻、頂部連續(xù)墻、底板和頂板4個部位的換熱模型，通過連續(xù)72 h的換熱計(jì)算分析了耦合式埋管系統(tǒng)的換熱能力、影響因素以及出水溫度，主要得到以下研究結(jié)果。

（1）車站頂部連續(xù)墻、底部連續(xù)墻、底板的埋管延米換熱量均在40～50 W/m之間，而頂板的埋管延米換熱量只有10 W/m左右，頂板不適合作為耦合式埋管換熱結(jié)構(gòu)。

（2）進(jìn)水溫度和原始地溫均是影響埋管換熱能力的顯著因素，進(jìn)水溫度越高、原始地溫越低，則埋管延米換熱量越大。循環(huán)水流速對埋管換熱能力影響很小，但是隨著循環(huán)水流速的增加，埋管的出水溫度逐漸升高。埋管間距對埋管換熱能力的影響相對較小，隨著埋管間距的增加，埋管延米換熱量呈現(xiàn)先增加后保持穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)耦合式埋管系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)，其埋管長度、深度均受圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸的限制，應(yīng)根據(jù)地鐵車站負(fù)荷大小合理配置耦合式埋管系統(tǒng)。