水平地埋管换热器夏季动态换热特性数值模拟

林林+阳尧+庄林学

摘 要：建立了二维水平地埋管换热器数值模型，分析了地埋管流动介质流速、入口温度、工作模式对地埋管换热特性的影响。计算表明：提高流速和入口温度有利于提高地埋管换热器的热流密度，然而较大的流速导致地埋管需用功率急剧增大；在循环操作模式下，地埋管换热器在运行时具有更高的换热效率。此外着重分析了土壤温度的动态变化过程，地埋管埋深以上区域易受地表溫度影响，循环操作模式下，地埋管周围土壤高温区域更小。

关键词：地源热泵；水平埋管换热器；动态换热特性；数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.220

能源与环境是当今人类生存与发展面临的紧迫问题[1]，以石油、煤炭为代表的不可再生能源的急剧消耗并且造成了环境污染等问题。通常距离地表面深度6m～45m的土壤温度大致保持恒温，正是利用地下土壤温度相对稳定的特性，地源热泵技术实现建筑环境与大地的能量交换，随着节能绿色建筑理念日益融入城镇化建设，该技术将会得到进一步的重视与发展。

地埋管换热器为地源热泵的重要部件，其换热特性将直接决定地源热泵的换热效率。竖直地埋管换热器换热效率高，然而钻井成本等前期费用高；水平地埋管通常埋深0.8m～2m，由于易受地表温度的影响，换热效率较低，但是投入成本小，因而综合考虑换热效率与投入，水平换热器也是一种可行的解决方案。

目前，国内外对竖直地埋管换热器研究较多，而对水平地埋管换热器研究相对较少。Bhutta等人研究了适用于不同型式地埋管换热器的数值计算方法，包括湍流模型、速度压力耦合算法的选择等，研究表明数值计算是地埋管设计和评估换热特性的有效工具；Benazza等对水平地埋换热器的换热特性进行数值模拟，研究了土壤导热系数和地埋管尺寸对换热器换热特性的影响；张锐[2]等研究了埋深对地源热泵水平连接管夏季换热性能的影响；Conged等人利用数值模拟手段研究了水平地埋管换热器型式、埋深、管内流速等参数对换热特性的影响；Inalli等人对水平地埋管换热器进行实验研究，得出地埋管埋深分别为1m和2m时，对应的COP值（制冷效率）为2.66和2.81。卿菁[3]等人对水平地埋管换热器进行实验研究，得出埋深为 2.2m 层的水平蛇形地埋管与土壤换热的换热性能远远优于埋深为 1.8m 层的水平蛇形地埋管的结论.

以上的研究主要集中在几何外形参数、物性参数对水平地埋管换热器换热特性的影响，而对换热过程中，土壤温度的动态变化研究较少。本文建立二维水平地埋管换热器数值模拟，模拟夏季地埋管换热器向土壤传递热量的过程，研究了流动介质流速、入口温度以及不同工作模式对换热特性的影响规律，重点分析了换热过程中，土壤温度的动态变化。

1 数值模拟

1.1 模型参数及计算网格

为了提高计算效率，本次数值模拟进行地埋管的二位数值模拟，水平地面管模型如图1所示。地埋管直径0.1m，长度100米，距离地面深度2.5米，计算域底部延伸到距离地面10米，忽略地面管的壁厚。对计算域采用结构化网格划分，在地埋管内部以及周围传热过程中温度梯度较大，网格进行加密，距离地埋管较远的区域温度梯度变化较小，网格划分比较稀疏，总网格数16万。

1.2 初边值条件

水平地埋管由于埋深较浅，易受到地表温度的影响，进而浅层土壤的温度会随着空气的温度的变化而波动。地表温度通常需要统计当地的天气资料，然后根据地表温度通过公式计算不同深度土壤的温度。本文主要研究不同入流条件对地埋管的动态换热特性的影响，为了简化计算模型，忽略地表温度和不同土壤深度温度随空气温度的变化，地表温度取恒定温度值29.34℃。土壤的初始温度以及底部地面温度取21.34℃。

地埋管内的介质为水，土壤的主要成分取石灰岩，其物性参数如表1所示：

地埋管的水流方向如图1所示从左往右，入口设置为速度入口边界，通过改变地埋管的流速或入水温度变换不同的工况；出口设置为outflow出流边界条件；地表为温度壁面；10米深地面也设置为温度壁面。

1.3 数值方法

使用Fluent软件求解非定常不可压缩的时均N-S方程，湍流模型取RNG 二方程模型，采用有限体积法离散上述方程，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式，通过SIMPLE算法耦合压力与速度。由于本次动态数值模拟的物理时长为6个月，为了兼顾计算精度及计算效率，时间步长取300s。

2 结果分析

2.1 流速对地埋管换热特性的影响

研究了地埋管入水温度保持304.49K（31.34℃）不变，流速V分别为0.5m/s，1.0m/s，2.0m/s时的动态换热特性。任一流速下热流密度在地埋管运行20天内急剧减小，20天以后热流密度缓慢的减小，最终趋于稳定不变。为了清晰比较流速对热流密度的影响，定义热流密度增量为不同流速下的热流密度与V=0.5m/s对应的热流密度之差。图2为地埋管热流密度增量随时间的变化曲线，从图中可以看出，随着流速的增大，热流密度增量增大，意味着流速增加单位时间的换热量增加；另外热流密度增量随着时间的增加先增大后减小，最终趋于稳定不变。

2.2 入水温度对地埋管换热特性的影响

研究了地埋管入水流速保持1.0m/s不变，入水温度分别为28.34℃，31.34℃，34.34℃的动态换热特性。图3为不同入水温度下，热流密度随时间的变化曲线，在任一温度下，热流密度在起初的20天内急剧下降，工作20天以后，热流密度变化平缓并趋于稳定；另外随着入水温度的增大，热流密度增大。

2.3 工作模式对地埋管换热特性的影响

由于水平地面换热器在连续工作模式下，在运行一个月后，土壤达到热饱和，热流密度降到非常低的数值，导致换热效率过低，另外换热器连续工作时耗能较高，因此有必要研究地埋管在循环工作模式下的动态换热特性。

循环工作模式时，地埋管周期型的运行和暂停，在本文数值模拟过程中地埋管每暂停16小时，再工作8小时，8小时工作时流速为1m/s，16小时暂停时流速为0m/s。为了保证计算稳定性，首先使地埋管从初始时刻连续工作1天。在计算过程中，通过设置周期型速度入口边界来实现地埋管的周期型工作模式。

图4为不同工作模式下热流密度随时间的变化曲线，从图中可以看出，循环模式下热流密度在暂停时由于流速为零，仅仅是地埋管内余留的流体进行换热，热流密度小于同时刻连续模式对应的热流密度，在工作时高于同时刻的连续模式对应的热流密度，这主要是因为循环运行模式有利于土壤温度场的恢复，提高了地埋管与周围土壤之间的换热效率。循环模式下热流密度以每24小时为一个周期变化，暂停时热流密度存在波谷，而工作时存在波峰，随着时间的增大，每个周期波谷值变化较小，而波峰显著减小，从而使得时均热流密度逐渐减小。

本文对夏季地源热泵水平地埋管换热器的动态换热特性进行了数值模拟，得出以下结论：

（1） 提高地埋管换热器内流动介质的流速及入口温度有利于提高换热器的热流密度，然而较高的流速将导致换热器的需用功率急剧上升。

（2）分析了连续工作模式和循环工作模式下土壤温度的动态变化，由于埋深较浅，地埋管埋深以上区域受地表温度和地埋管热传导的影响，在较短的时间，该区域温度分布趋于稳定；地埋管埋深以下区域，随着换热器运行时间的增长，热量向更低温度区域传递。此外，两种工作模式下地埋管埋深以上区域温度变化大致相同，然而相对于连续工作模式，循环工作模式下地埋管周围土壤高温区域更小。

参考文献：

[1]朱建勇，刘沛清，屈秋林等.螺旋式S型风轮气动性能试验研究[J].应用科学与工程学报，2015，23（05）：1060-1066.

[2]张锐，张旭.埋深对地源热泵水平连接管夏季换热性能的影响[J]. 暖通空调，2012，42（02）：71-75.

[3]卿菁，王勇.不同埋深水平蛇形地埋管换热器换热性能比较分析[J].制冷与空调，2015，29（05）：485-490.

作者简介：林林（1982-），男，辽宁人，实验岗助理工程师 ，研究方向：从事材料力学领域研究。endprint