地源热泵地埋管换热器影响因素分析

贺静静

（陕西能源职业技术学院 建筑工程学院， 陕西 咸阳 712000）

0 引言

能源利用与环境保护的平衡，对一个城市的发展越来越重要，咸阳地区地处秦岭北麓，地势具有两侧高，中间低的特点，属大陆性半湿润半干旱气候，一年四季温差大，冬季需要供暖，能源消耗比较大，且传统能源来源于矿物燃料的燃烧，这导致冬季这个城市雾霾严重。清洁能源的推广显得尤为重要。

1 热源热泵系统应用土壤情况调查

根据地质地形和区域的划分，我国地源热泵系统应用土壤情况从区域、典型地区、典型地质、主要应用类型、应用深度等几个方面进行总结有：北京北部地区以岩石为主，南部地区以砂土为主；黄河中部平原地区的西安、咸阳、兰州等地以黏土、粉细砂、少量卵石为主；长江中部武汉以岩石为主；黄海北部威海、青岛以岩石为主；天山山脉乌鲁木齐以岩石为主；长三角流域苏州、上海以黏土、粉细砂为主；山东中部济南、浙江中东部杭州以岩石为主；江苏北部徐州卵石为主；重庆、湖南、江西以地表水为主。

2 垂直U型管换热器的物理模型

不同地区土壤组成成分、热工性能、介质的传热传湿性质差别很大，这也直接影响着埋地换热器的换热性能。其次，数学模型的建立和边界条件的设置都很重要。本文首先对咸阳地区的土壤的特性做出各向同性且均匀的多孔的介质的假定，利用ANSYS软件建立单根垂直U型埋地换热器的模型。

3 数学模型的建立

土壤、埋地管管壁及回填材料的导热方程是：

4 U型管内流体的流动以及对流换热的模型

建立垂直U型管内流体的流动以及对流换热的模型，首先要确定管内流体流动状态，流体流动分为层流和紊流。埋地垂直U型管内流体的流动属于紊流状态。动量方程、紊流动能方程、能量方程、流体连续性方程、紊流动能耗散率方程等都属于流体紊流控制方程，这些方程的应用都要满足方程（2）：

5 模拟计算的边界条件和初始条件

5.1 U型管内介质流动边界条件

②固体壁面的边界条件

垂直埋管管壁流体速度值取零，都用无滑移边界条件。埋管外壁面与直接接触的土壤进行换热的能量方程用耦合传热进行求解。我们假定壁面上的水流是不可渗透的。紊流动能的K方程，在壁面的地方边界条件用扩散通量为零。

③进出口的边界

进口：紊流动能取来流平均动能百分数，数值取0.5%～1.5%。

出口：埋地管内的循环介质随着热泵停止运行而停止流动，这时流体和管壁之间传热的方式是导热，它的边界条件为:

式中： 是管壁的温度，k。

5.2 固体的部分

初始的条件:对于整个包括U型管的管壁还有土壤以及回填材料部分的固体的计算区域的初始温度为12.5℃，即。

边界条件：地表面定义为是绝热的，q=0。

U型管支管的外壁面和回填材料的接触面以及土壤的接触面和回填材料都是耦合的热传导面：

土壤的接触面和回填材料也是耦合的热传导面：

6 流速对换热量的影响

通过模拟，不同入口流速下换热性能曲线如下图：

改变U型管入口介质的流速，会使土壤源热泵垂直U型管的换热量发生变化，从已得数据可以看出，模拟入口介质流速分别为0.5m/s、0.7m/s、0.9m/s、1.2m/s、2.0m/s、3.0m/s时换热量的变化。流速从0.5m/s上升到2.0m/s时，换热量从1978.34w上升到2150.36w，其增幅达到了8.7%，当流速从2.0m/s变化到3.0m/s时，换热量从2150.36 w变化到2152.47 w，增幅仅为0.098%。那么可以把垂直U型管的换热分为两个阶段，增幅为8.7%为第一阶段，增幅为0.098%为第二阶段。在第一阶段里随着流速的增加，垂直U型管内流体紊流现象会加剧，使得换热系数增大，结果使换热量增加。

另一方面，U型管内的阻力随着管内介质流速的增大而增加，那么U型管内的流速增加会使水泵能耗加大，所以，在确定介质入口流速对换热量的影响时，还需考虑水泵能耗。因此，确定介质入口流速十分重要，本文推荐单U型管的入口流速介于0.7m/s～2.0m/s之间。