渗流对地下换热器传热影响的研究

文/王开材 江苏省建筑工程质量检测中心有限公司 江苏南京 210028

渗流对地下换热器传热影响的研究

文/王开材 江苏省建筑工程质量检测中心有限公司 江苏南京 210028

本文利用有限元软件，构建U型埋管换热器的传热模型，模拟长期运行情况下的冬夏季传热分析，分析地下水渗流、地下水渗透流速对换热的影响。得出如下结论：地下水渗流的存在，可以明显的改变温度场的分布形式，有利于热量的散发。渗流流速越大越有利于热量的散失，从而使得埋管周围的热量得到及时的散失，可以有效的减少热量累积效应。

埋地换热器；温度场；渗流场；数值模拟

1、引言

地源热泵是一种高效、节能环保，有利于可持续发展的空调方式，地源热泵技术为解决能源危机和环境污染这两个困扰我国发展的重大问题、为我国的可持续发展带来了契机，地源热泵技术在中国有广阔的发展情景。

90年代以来，在国家自然科学基金委员会的资助下，国内开始的对土壤源热泵开展基础性的研究工作，主要集中在地热能换热器的换热机理、强化换热及热泵系统与地热能换热器匹配等方面。与前一阶段单纯采用“线源”传热模型不同，最新的研究更多地开始关注相互耦合的传热、传湿模型以更好的模拟地热能换热器的真实换热情况；因为导热过程也受土壤水特性的影响，对此，国内外学者采用不同的方法做了研究[1-6]。

竖直埋管的深度可达40—200m，实际上在其穿透的地层中或多或少地都存在着地下水的渗流。尤其是在地下水丰富的粗沙砾地层中甚至有地下水较显著的流动。地下水的渗流有利于地热换热器的传热，也有利于减弱或消除由于地热换热器全年吸放热不平衡而引起的热量累积效应，因此能够减少地热换热器设计容量。方肇洪等人根据多孔介质中有渗流时的能量方程，解析求解得到了有均匀渗流时线热源引起的二维温度响应[7-9]。可见，目前还主要集中在数值模拟的方法上，缺少实验方面的证实。而热物性是反映热状况特征的参数，因此实验研究渗流速度对热物性的影响同样重要。国内关于地下埋管换热器的传热研究大都基于单一的传热理论，本课题将研究地下水和热传导共同作用下的土壤温度场的变化规律。

2、地下换热器传热模型的建立

地源热泵的核心问题集中在埋管换热器与周围土壤间的耦合关系上，涉及到换热器与土壤两个方面。1948年Ingersoll等人发展了Kelvin的线热源理论，目前大多数地源热泵设计是利用该理论为基础，该理论作了如下假设：土壤初始温度均匀，线热源热流恒定，换热器与土壤之间只有径向的纯导热，忽略土壤热湿迁移，土壤为各向同性，热物性参数为常数。

2.1地下换热器传热模型的简化

常见的换热埋管有水平敷设和垂直敷设两种[10]，由于垂直敷设占地面积小、单位长度换热率大，所以大多数的设计者大都选用垂直U型管敷设方式。垂直U型管地下换热器埋管一般由直径为19～31.7mm塑料管[11]中间弯成U型垂直插入孔中构成，文中要建立与实际U型管等效的几何模型，将U型管等效为圆柱热源主要是为了求解的方便，便于数学描述和求解，如图1所示。

图1 当量直径单管模型示意图

本模型包括的几何体有U型管内的水、U型管、回填土、土壤。U型管在竖井中，竖井与模拟范围内的土壤可看成是圆柱体和长方体。本文所模拟的U型管内径为25mm，外径为32mm，埋深为80m，两支管腿中心距为180mm，竖井直径为300mm，土壤采用8m*8m*80m的长方体。

2.2模型网格的划分

网格划分的原则是在温度场和速度场变化剧烈的地方密集划分网格，而在温度场和速度场变化缓慢的地方疏松划分网格[12]。由于地下换热器传热过程中，温度沿径向变化较大，而沿深度方法变化缓慢，故在水平方向上密集布置网格，而在竖直方向上疏松布置网格，并在水平方向上，对U型管周围网格进行了局部加密，如图2所示。

图2 U型管网格分布图

2.3初始、边界条件的确定

（1）初始条件如下：

初始时刻：大地为原始地温，根据现场实地勘察温度取为T0=20℃；入口水温根据规范要求确定，冬季取为5℃，夏季取为40℃[13]。

由于实际中地下水渗流速度非常小，其每秒渗流的速度数量级通常是在：10-6～10-7（m/s）左右，所以在沿Y方向上分别设定：不计管道、钻孔及外围岩土的接触热阻。

外围岩土物性(含地下水)：粉质黏土(含水量25%)，导热系数：1.2W/(m.K)，比热容1000J/kg.K，密度：1925kg/m3。

管材选用高密度聚乙烯：比热容2292.4J/ kg.K，密度：965kg/m3，导热系数：0.517W/(m.K)。

管道内换热流体选用水，流速取0.6m/s，符合中华人民共和国国家标准《地源热泵系统工程技术规范》GB-50366-2005中单U型管管内流速不小于0.6m/s且不大于1.2m/s的要求。

3、 结果分析

在有渗流的情况下，土壤的传热方式有两种：（1）多孔介质固体骨架和孔隙中水的导热（2）土壤中水渗流产生的对流换热。

3.1冬夏季连续运行工况下的结果分析

为了研究土壤中水的渗流对土壤中温度场的影响，本论文模拟了系统冬、夏季连续运行90天，有渗流两种工况地下埋管的传热情况，如图3、图4所示。

图3 夏季有渗流情况下连续运行三个月埋管周围温度分布图

图4 冬季有渗流情况下连续运行三个月埋管周围温度分布图

从图中可以看出，有渗流的土壤温度场发生了偏移。夏季有渗流时，埋管周围温度低于无渗流时的情况。对于地源热泵，热作用半径越小，在相同面积土壤范围内，可以埋设更多的地下换热器，提高了土壤的利用价值；埋管周围温度越低，越有利于地下埋管的换热，可见渗流有利于地下换热器的运行。渗流对地下换热器传热有很大影响，是不可忽略的问题。

冬季运行情况下，有渗流土壤埋管周围温度较高，热量可以很好的从周围土体得到补充，冷量可以得到及时的扩散；而对于无渗流土壤，冷量在埋管周围不能很快的扩散，导致埋管周围土壤的温度较低，不利于埋管换热的有效进行。夏季运行情况下，有渗流土壤周围埋管温度较低，冷量可以很好的从周围土体得到补充，热量可以得到及时的扩散；而对于无渗流土壤，热量在埋管周围不能及时的扩散，导致埋管周围土壤温度较高，不利于埋管换冷的运行。

3.2渗透流速的影响分析

在其它因素不变的情况下，选取1e-10m/ s、1e-9m/s、1e-8m/s、1e-7m/s、1e-6m/ s、1e-5m/s六组渗透流速进行传热分析，温度分布如图5所示。

图5 各种渗透流速下的温度分布图

由图可以看出渗流流速越大，迎水侧的热作用半径越小，而被水侧的热作用半径越大，埋管周围温度变化越小，使得管内流体与土壤的温差越大，此外地下水的流动可以使埋管周围累积的热量得到及时的扩散，从而有利于埋管换热。地源热泵建造的前期水文勘察工作十分重要，准确的勘察工作可以为后期建设起到良好的指导作用，减少埋管的埋设长度，节省初投资，从而为建筑节能起到良好的效果。

结论：

本文通过对埋地换热器地下换热的数值模拟得出如下结论:

(1)地下水渗流的存在,可以明显的改变温度场的分布形式,有利用热量的散发。无地下水渗流影响的埋管周围温度场为中心对称的圆形,而有地下水渗流影响的埋管周围温度场为偏向被水侧的椭圆形；无地下水渗流影响的埋管周围温度作用半径明显的小于有渗流影响的温度作用半径。

(2)地下水渗透流速越大，迎水侧的热作用半径越小，而被水侧的热作用半径越大。渗流流速越大越有利于热量的散失，从而使得埋管周围的热量得到及时的散失，可以有效的减少热量累积效应。

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