地下水渗流对埋管换热器换热影响的研究进展

宫克勤，刘雨艳

（东北石油大学，黑龙江大庆163318）

地下水渗流对埋管换热器换热影响的研究进展

宫克勤，刘雨艳

（东北石油大学，黑龙江大庆163318）

以太阳能、地热能为代表的可再生能源部分代替锅炉已成为不可阻挡的发展趋势。介绍了土壤源热泵竖直埋管换热器的几种传热模型的适用状况，同时对于地下水如何影响地埋管换热器换热进行了分析，最后提出了可进一步研究的内容。

地下水渗流;地埋管换热器;传热模型

人类对化石能源枯竭、生态环境恶化和资源安全利用的担忧导致对清洁、可再生能源的迫切需求下，土壤源热泵系统以其高效、节能、环保及可持续发展性在国内外得到广泛的关注与应用[1]。土壤是一种集固态、液态以及气态三相于一体的含湿多孔介质体系[2]，据此可知，土壤中的热量传递不单单局限于导热方式上，还有相变换热以及水分迁移等复杂的传热方式，这都会对地下换热器的设计带来了巨大的困难，为了埋地管换热器达到最佳经济适用性，国内外研究学者就地下水渗流对地埋管换热器换热影响因素进行了系统性研究，本文对研究成果及现状进行了梳理，为后续深入研究提供借鉴与参考。

1 地埋管换热器传热模型

1.1 热湿传递线热源模型

由于地下环境复杂，土壤中的水分存在迁移、冻结及随大气温度、太阳辐射等规律波动影响，不考虑这些实际问题的纯导热模型会使设计的盘管长度比实际需要得长，造成浪费。根据开尔文线热原理论及质量与能量守恒定律，可构造出饱和土壤与饱和土壤中垂直埋管换热器的一维线源热湿传递模型[3,4]，这种模型可说明土壤传热受到其含水率以及热物性等因素的影响，使线性源模型具备更高的计算精度。

1.2 变热流线热源模型

地下埋管换热器从土壤中取、放热是随建筑物负荷变化而动态改变的，常热流是对建筑物热负荷不变的一种假设，为更好的研究这种变化用变热流代替原本的常热流，但这种改变不好实现。为此我们引进与实际负荷比较接近的变热流是随时间变化的“阶跃”热流，并将其应用到实际的工程中。阶跃热流是将随时间变化的建筑物负荷看作许多线性分段式热流叠加后的热作用总和。此线热源的解通过加入跃阶负荷和叠加原理，可以得到不同时刻不同的阶跃热流在土壤中的温度响应[5]。

考虑地下水渗流的地埋管传热模型能更精确地描述地埋管换热的实际工况，但计算繁琐耗时，为提高计算速度提出了g-函数解析解[6]，该解析解在保证计算精度的同时，显著的提高了计算速度。这样运用叠加原理分析在阶跃热流作用下，研究了地下水渗流对地埋管换热工况的影响，并得到地下水可以改善换热工况这一结论。

1.3 钻孔内外耦合传热模型

地下水渗流及其周围土壤物性对地埋管换热器内流体的影响，直接关系到地源热泵机组的效率。因此，在保持入口参数不变的条件下，监测其出口温度并进行分析，将可为设计提供理论依据。通过对同一种参数的埋管入口流体条件下各个土壤埋管里出口流体的温度展开分析会对设计提供理论依据。

在模拟过程中，需建立埋管内外耦合传热模型来加以分析，由于钻孔内的流体和回填材料的热容远远小于周围土壤的热容，则可把钻孔内埋管中流体的传热方式看作是稳态的。钻孔外的移动线热源是以格林函数为基础，结合钻孔三维传热模型，考虑埋管轴向导热和渗流的影响的条件下，以钻孔壁温度为耦合点，建立地埋管钻孔内外非稳态耦合传热的解析模型[7]，为地埋管换热器的准确设计和长期运行性能分析提供分析方法。

1.4 土壤分层式线热源模型

由于地埋管换热器在竖直方向温度变化不明显可忽略，则应考虑其横向作用。而地下土壤的组成为各种土质的土壤层，不同土质土壤层的热物性以及传热性能各不相同[8]。不饱和的浅层土壤只有热湿传递这个影响因素，而饱和区域土壤有着明显的地下水，只需考虑对流传热的影响[9]。

土壤分层式线热源模型[10]全面分析了土壤沿深度方向的分层情况以及土壤的热物性沿深度方向变化等影响因素[8]。在分析过程中，假设地层沿竖直方向分层，且层内岩土均匀；在含地下水的地层中，渗流速度稳定且只考虑对流换热的影响。

2 地下水渗流对地埋管换热器的影响

2.1 含湿量对土壤热湿迁移的影响

非饱和区土壤里的传热过程属于一种复杂的热力过程，它的建立基于温度梯度和湿度梯度相互协作热量传递和水分迁移的基础上[11]。据相关研究可知，依靠热作用，土壤里的水分会从高温区迁移到低温区，导致土壤湿度场发生不同程度上的变化，而这个变化程度与换热器温度和土壤热物性是分不开的[12]。

当热量集中涌向钻孔壁时，湿份开始逐渐远离钻孔壁向外迁移，相应的钻孔周围土壤的含湿量降低，湿度梯度将逐渐变小[13]。基于定热流的作用，湿份迁移主要积聚在钻孔壁周围，距离钻孔壁越近的土壤其含湿量降低的越大。初始含湿量不同时，湿度降低的幅度不同。含湿量越小，钻孔壁湿度变化幅度越显著的[14]。从地埋管换热器的角度出发，发生于土壤里的换热现象的驱动力来源于埋管流体与钻孔壁之间的温差，因此，换热效率在很大程度上取决于钻孔壁温度的变化。

土壤向周围排热时存在一个初始含湿量的临界值，当含湿量大于临界值时，将没有明显的湿份迁移，因此土壤热物性几乎不会受到湿份迁移的干扰，为了简化，可将土壤的比热容系数以及导热系数视为常数；若含湿量小于临界值，在不断排热的条件下，湿份迁移会严重影响着钻孔壁周边土壤的热物性，此时应用热湿迁移模型进行计算，否则会有很大的误差[15]。

2.2 渗流速度对地下温度场的影响

处于地下水位线以下的埋管区域，周边土壤皆为饱和状态，这将导致其导热系数降低，从而对流换热占主导地位使土壤的传热能力大大增强[16]。在不考虑垂直影响时，地下水横流成为影响土壤传热的主要因素，土壤热湿迁移作用变弱，因此模拟时不予以考虑。不同渗流速度下，地埋管虽然处于不同的土壤里，但是与周围土壤换热规律相同，渗流速度愈大，则呈现出愈大的换热量，热流量也随土壤的导热系数增加而递增，渗流的存在对土壤的换热效果起了增强作用[11,16,17]。

相比较于无渗流工况，存在渗流工况下的土壤热容量大，对单位体积土壤所能提供的热量也越大，从而会使土壤中的温升变化慢，大大增加了土壤与换热量[16-19]。在地下水渗流作用下，埋管群周围的温度场不再呈现出原来的圆形作用区域，而是转变为椭圆形区域。渗流速度不断增加会使温度场在渗流方向上呈现出越来越明显的拉伸，并且在垂直渗流方向上表现出明显的切削。即渗流速度越大埋管在沿渗流和垂直于渗流方向上分别呈现出更大和更小的热作用半径[19-21]。

2.3 渗流方向对地下温度场的影响

渗流情况下，U型管内流体入口与出口温差及埋管换热量均大于无渗流情况，可见渗流有利于换热器运行[22]。水层中的渗流速度足够大，就可以带走管壁周围的热量、冷量的堆积从而缓解土壤热不平衡的问题，提高系统运行效率[23,24]。

为解决渗流方向问题，通过模拟及实验我们发现，地下水渗流阻碍了上游管群温度的升高，并使温度向下游管群集中，使下游温度升高加速。因此在布置地埋管时应考虑到地下水渗流方向的影响，在渗流的方向上，为避免温度集中汇聚产生热堆积，合理增加管间距；在垂直于渗流的方向上，考虑到渗流引起的切削，应该使管间距适度减小，并使钻孔与渗流方向呈一定的夹角，有效地利用地下水渗流将多余的热量、冷量带走，提高机组的运行效率[25]。这样就有了顺排与叉排的埋管方式，顺排管群0°为其最劣渗流方向角，其最优渗流方向角应该30°左右；对于叉排管群，90°为其最劣渗流方向角，其最优渗流方向角应该在15°左右，但是并不固定，随渗流速度的变化而略有改变[26]。

3 结论

土壤是种复杂的含湿多孔介质，它作为热源提供热量时我们要考虑地下水的问题，通过热响应实验及地下水流速度计算得到基础数据，并结合施工地点具体的土壤特征进行设计，若忽略这项影响因素，会造成设计尺寸过长。通过研究经验可知，土壤的能量不是取之不尽用之不竭的，当长期向土壤取热（放热）会使土壤热平衡出现问题，并且已有研究者对跨季节蓄热（蓄冷）进行了研究，但很少学者将地下水与跨季节蓄热（蓄冷）相结合进行研究，而地下水对蓄热（蓄冷）影响很大，应进一步研究，为实际工程提供可靠的依据。

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Research Progress of the Effect of Groundwater Seepage on Underground Buried Tubular Heat Exchanger

GONG Ke-qin，LIU Yu-yan
（Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163318,China）

Renewable energy such as solar energy and geothermal energy has become trend to replace the most boilers due to its increasingly prominent impacts.In this paper,application situation of several heat transfer models of vertical ground heat exchanger for ground source heat pumps was introduced,and effect of the groundwater on the ground heat exchanger was analyzed.Meanwhile,suggestions for further research were proposed.

Groundwater seepage;Underground buried tubular heat exchanger;Heat exchanger model

TQ 052

A

1671-0460（2017）03-0536-03

2016-09-29

宫克勤（1967-），男，黑龙江七台河人，教授，博士，2007年毕业于东北石油大学石油储运工程专业，研究方向：储运系统节能技术。E-mail：gkqdqpi@126.com。

刘雨艳（1991-），女，硕士，研究方向：地源热泵系统设计优化。E-mail：liuyuyan0301@163.com。