合肥地区垂直U型埋管换热器试验分析及数值模拟

胡 正 玲

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601)

合肥地区垂直U型埋管换热器试验分析及数值模拟

胡 正 玲

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601)

以合肥市某地源热泵工程为例，选取100 m深垂直U型埋管进行分析，试验研究了合肥地区夏季典型气候条件下不同运行模式时换热器的换热性能、机组能效及土壤温度场的变化情况，模拟分析了换热器长期运行时周围土壤温度场的变化。

地源热泵系统；垂直U型地埋管换热器；模拟；ANSYS

1 工程概况

本项目为合肥市某售楼处，建筑功能为办公，总建筑面积为3 338.77 m2。地下1层提供设备用房和空调机房，地上1层为售楼处，供接待客户使用，2层以上提供给工作人员办公使用，空调冷热源采用地源热泵系统，室外垂直埋管共84根，钻孔直径150 mm，采用DN25双U型PE管，钻孔间距4 m，钻孔深度100 m，回填材料采用细砂。末端形式为风机盘管加新风系统。盘管按侧吹方式送风。

2 试验分析

埋管换热器的传热过程以钻孔壁为界，分为钻孔壁内传热以及钻孔壁外传热两个相互独立的过程[1]，钻孔内传热为稳态或者准稳态的传热过程；钻孔外传热即为钻孔壁与周围无限大空间的土壤之间的传热，认为是非稳态的传热过程[2-3]。

当热泵机组连续运行时，热量持续不断被土壤吸收或释放，土壤温度持续变化，系统连续运行时间越长，土壤温度变化幅度越大，由此造成地埋管换热器性能不断下降，热泵性能系数减小。由于本工程属于办公建筑，系统间歇运行，有利于地下土壤热平衡，同时可以提高机组运行效率，保障系统长期稳定运行。

图1 地下不同深度土壤温度分布图

试验测试为7月底、8月初，埋管数量84根，有效深度100 m，埋管间距4 m，占地面积约1 300 m2。地埋管换热器采用DN25双U型PE管，钻孔直径150 mm，钻孔回填材料采用细砂。

2.1 原始地温测试

过渡季节有利于土壤温度场恢复，故在5月底对原始地温进行了测试。所测数据如图1所示。

从图1可以看出，地下土壤深度越深，温度波动越不明显，地下5 m的变化趋势相对于地下60 m处的变化要明显很多，从地下30 m往下，土壤温度基本为恒定值。根据测试结果得到土壤初始平均温度为18.4 ℃。

2.2 连续放热工况测试

夏季放热工况运行期间，室外侧管内换热介质的流量不变，循环介质流速0.3 m/s，钻孔中管内循环介质进出口温度、单位井深换热量以及机组的性能系数分析结果如图2、图3所示。

图2 换热器进出口温度变化图 图3 单位井深换热量变化图

图4 系统COP和进出水温差变化

连续运行时，钻孔中管内循环介质进出口温度随运行时间的延长呈现逐渐增加的趋势，其原因是：热泵机组在运行期间，源源不断的把热量释放给钻孔周围的土壤，而受土壤热阻的影响，钻孔周围热量在短时间内难以及时向钻孔远处土壤扩散。随着运行时间的延长，钻孔壁附近热量不断累积，钻孔壁温迅速上升从而导致换热器进出口温度迅速上升。单位井深换热量随着时间的推移呈现出先增大后减小的趋势，每日单位井深换热量最大值出现在中午12∶00至下午14∶00之间，之后开始缓慢减小，换热量减小的原因是该时间段内室内人员流动以及门窗开启次数均减少，室内冷负荷也相应减小，地源侧埋管内进口温度降低，从而导致单位井深换热量也减小。

系统、COP和进出水温差变化图如图4所示。由图4可看出，机组连续开启状态下，换热器进出口温差呈现逐渐下降的趋势。热泵机组运行第1 d，埋管换热器进出口温差在5℃左右，到了第7 d，换热器的进出口温差减小到4.5℃，进出口的温差值平均下降了0.5℃。热泵机组连续运行状态结束后，COP平均值为2.46，波动幅度不大，由此能够推断出机组运行较平稳。

2.3 间歇放热工况测试

8月1日至8月7日进行了间歇运行工况测试，系统白天开机12 h，夜晚停机12 h。系统开停机比为1∶1，测试结果如图5～图7所示。

从图5可以看出，在8月1日至8月7日机组间歇运行工况时，钻孔中管内循环介质进出口温度随时间的增加呈现先增加后降低的趋势，进出口温差在 4.5 ℃左右波动。从图6可以看出，单位井深换热量随着时间的推移呈现出先增大后减小的趋势，最高值出现在8月4日，达到50.7 W/m，最低值为50.1 W/m，平均单位孔深换热量为50.4 W/m。原因是8月4日室外温度最高，室内冷负荷增大，故日平均单位井深换热量跟着相应的增大。

图5 地埋管进出口平均温度变化 图6 平均单位井深换热量变化图

图7 系统COP和进出水温差

从图7可以看出，间歇运行工况下，埋管换热器进出口温差先上升后逐渐下降。运行第1 d，埋管换热器进出口温差在4.5℃左右，随后逐步回升，到8月4日，进出口的温差值到达一个最高点，达到5℃，出现这种情况的原因是：钻孔内的单位井深换热量在8月4日这一天达到最大值，系统平均制冷量增大导致了机组换热量的增大，在机组平均输入功率恒定的情况下，系统的COP值相应的降低，COP平均值为2.57。从以上分析可以得出，停开机比为1∶1时，系统COP的值要大于持续开机24 h后的值。所以，相比于连续运行方式，采用停开机比为1∶1的间歇运行方式，更有助于机组在稳定、高效率的状态下工作。

2.4 运行情况模拟

在影响埋管周围土壤温度场的各种因素中，有很多都是瞬态过程[4]，在地埋管周围土壤温度场分析时，想把所有的因素都考虑进实际工程中去，建立一个与实际工程一样的模型相当困难。要对每个换热过程进行分析，建模过程只能将模型简化。

(1)假设垂直U型埋管、地埋管周围土壤、地埋管内流动介质都是各项同性的均质材料，在传热过程中的热物性参数基本不发生改变，忽略以上各因素自身内部的传热影响。

(2)假设地埋管四周的回填材料和周围土壤、埋管外壁不考虑传热阻力的影响；同样不考虑管底部的热传递影响。

(3)假设地埋管四周空间无限大，忽略垂直U型管内流动介质的流速受重力影响而发生的变化，在考虑水平方向上的传热时，假定同一截面的流动介质流速相同，且忽略地埋管垂直方向上的传热。

(4)假设热量传递时没有地下水流动，不考虑水分迁移所带走的热量。假定初始温度稳定。

本文采用K-ε双方程湍流模型模拟U形管内流体流动，三维的传热模型[6-7]，模拟了系统运行5 a后换热器周围土壤温度变化情况。

热泵在开机5 a后，钻孔内外的土壤温度呈现出升高的趋势。连续开机第5 a结束后，钻孔内外土壤温度增加了1.9℃。由此可以看出，在合肥地区，仅仅采用地源热泵系统来承担建筑所需的夏季冷负荷和冬季热负荷，会造成地下土壤一定程度的温升，使地下土壤存在一定热堆积现象，就本项目而言，热堆积基本可以忽略。

3 结 语

在室外侧埋地换热器内换热介质的流量以及流速不变的前提下，通过分析实测数据，得出本试验的结论如下：在典型气候条件下，机组连续运行工况下的单位井深换热量以及性能系数COP都低于停开机比为1∶1的间歇运行工况，所以间歇工作更加有利于热泵机组在高效的状态下工作且更有利于钻孔内外土壤温度场的恢复。系统连续工作5 a后，钻孔内外土壤温度升高了1.9℃。由此可以得出，在合肥地区，仅仅采用地源热泵系统来承担建筑所需的夏季冷负荷和冬季热负荷，会造成地下土壤一定程度的温度升高现象，使地下土壤存在一定热堆积，可以采用与冷却塔相结合的复合式系统、或者配置热回收装置来解决地下温度场的热堆积效应。

[1] 蔡颖玲,张华,朱朔神,等.地源热泵U型管换热器夏季工况试验分析[J].流体机械,2012,40(3):56-59.

[2] 刘业凤,张峰,杨标,等.稳定运行的土壤源热泵系统管群内外土壤温度场对比分析[J].制冷学报,2013(2):75-80.

[3] 纪世昌,胡平放.U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究[J].制冷与空调,2007,7(4):35-37.

[4] 郑红旗,祝合虎,陈九法.地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析[J].流体机械,2009,37(3):60-63.

[5] 王欣红.土壤源热泵系统在不同地区的推广及其优化[D].北京:北京工业大学,2009:44-46.

[6] 郭涛.地源热泵系统垂直U型地埋管换热器的实验与数值模拟研究[D].重庆:重庆大学,2008:10-12.

[7] 肖锐.垂直地埋管换热数值模拟及实验研究[D].北京:中国地质大学,2014:27-30.

Experimental Analysis and Simulation of Vertical Tube Heat Exchanger in Hefei Region

HU Zhengling

(Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China)

s：A hundred meters Vertical U-tube heat exchanger was analyzed in this paper. Heat transfer performance of the Ground heat exchange (GHE) and the surround temperature distribution under different operation modes are studied in the typical climate of Hefei. The finite element analysis software ANSYS was used to simulate temperature difference in the long-time operation mode of the GHE.

ground source heat pump system; vertical U-tube underground heat exchangers; simulation; ANSYS

2017-03-01

胡正玲(1989-)，女，安徽滁州人，在读硕士研究生，主要从事绿色建筑节能方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.004

X828

A

1674-5403(2017)02-0013-04