运行模式对毛细管换热器换热性能影响研究

曹廷涛，佟 振，胡松涛，刘国丹，王依梅(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266033)

地铁在运行过程中不断产生大量废热，隧道内长期的热量堆积会造成隧道及周围岩体温度上升[1]，不仅会影响地铁隧道的热环境，还会破坏地下岩体的热平衡.为解决这一问题，地源热泵技术在地下隧道的应用受到了越来越多的关注[2-4].地源热泵系统的应用，既可以缓解隧道温度升高的现状，同时也实现了对地热能的利用.2011年，FRANZIUS J N等[5]在预制混凝土区间隧道中通过嵌入塑料管以收集邻近地层的热量，为位于隧道上方的1座建筑提供大约40 kW的供暖需求.2015年，胡松涛等[6]首次提出将毛细管网敷设于地铁隧道围岩内作为地源热泵系统的前端换热器，相比于传统形式的地埋管等热交换管，毛细管在隧道中的应用，具有施工方便、占地面积小、传热面积大、传热效果好等优点.

目前，针对传统地埋管换热性能和设计方法的研究已有很多[7-10].2017年，宫树娟[9]采用基于线源理论的单 U 形地埋管换热性能简易计算模型，利用正交试验法对7个影响地埋管换热性能的因素进行了敏感性分析.2018年，郭春梅等[10]为了缓解埋管区域土壤的热量堆积问题，提出了埋管换热器按内中外、块状、间隔3种分区运行的策略.而对于以毛细管为前端换热器的地铁地源热泵系统，目前的研究主要集中在青岛理工大学胡松涛课题组.高号[11]通过建立CFD仿真模型分析了管内流速、管间距和管长等因素对毛细管换热器换热的影响.孙福杰[12]通过简易试验分析了流速、进水温度和进出口压差对毛细管换热器换热量的影响.

由于围岩体具有蓄热性，温度和热量的传递具有滞后性，毛细管周围的岩体温度升高或者降低，会影响后面的热交换过程.本文将利用毛细管传热的TRNSYS仿真计算模型分析运行模式对换热器换热量的影响情况，优化毛细管换热器设计.

1 模型及验证

1.1 仿真模型

以毛细管为前端换热器的地铁隧道地源热泵系统形式如图1(a)所示，毛细管敷设于隧道二衬与一衬之间，作为热泵系统源侧的能量采集器，故称为毛细管前端换热器.毛细管前端换热器管材为PP-R，管径为4.3 mm×0.85 mm，管间距为20 mm，每片管席上有毛细管48根，毛细管结构如图1(b)所示.

图1 毛细管前端换热器布置及结构

王依梅[13]取二衬表面到围岩无限远处的一小块微元体为分析对象，将毛细管前端换热器简化成敷设于砂浆保护层中的平板换热器，进行了毛细管在隧道衬砌中的传热过程计算，得到了换热器出口温度的逐时解.在此基础上，利用TRNSYS软件建立了毛细管前端换热器仿真计算模型，如图2所示.

其中，Type14h组件主要用于毛细管前端换热器运行模式控制，如取冷、取热和停止，可设置总共模拟时长以及各个状态的模拟时长；canshu计算器和R计算器用于计算毛细管前端换热器计算所需的各项热阻；Type813为毛细管前端换热器计算模块；Type9a和Type9a-2可通过导入外部文件输入换热器进口水温和隧道空气温度；Type65c输出计算结果.

1.2 模型验证

模型验证的数据取自1个工程项目的试验测试，测试时间为3月份，共计22.5h.根据实际测试情况设置计算模型参数，将隧道空气温度和换热器进口温度作为已知量导入计算模型，计算毛细管的出口温度，模拟结果和实测结果的对比情况如图3所示.对应的模拟值和实测值的数值点共270个，毛细管换热器出口温度模拟值与实测值的平均相对误差为-2.71%，其中有24个数据相对误差的绝对值大于8%，87.04%的计算值与实测值的相对误差在5%以内.模拟计算时，毛细管中的水、毛细管管壁、围岩各处的温度都设置为15.5 ℃，实际上，在隧道施工过程中，围岩和衬砌之间以及围岩和空气之间一直在进行热量交换，各处温度不一致，故在运行初期，模拟结果与实测结果相差较大.从图3可以看出，在运行中后期(大于等于3 h)，毛细管前端换热器出水温度模拟计算结果与实测结果吻合良好.计算模型是正确和可靠的.

图3 隧道空气温度及毛细管换热器出口温度随时间变化情况

1.3 隧道空气温度

隧道空气作为毛细管换热器热量的重要来源和蓄热体，隧道空气温度的高低对毛细管换热性能有重要影响.换热器性能分析仿真计算时所用隧道空气温度参数取实测数据.隧道空气温度每0.5 h采集记录1次，连续测试7 d.受众多因素的影响，隧道空气温度近似呈周期性变化.短期内隧道空气温度大小及变化规律基本相同，某地铁隧道夏季、冬季隧道空气温度日变化情况如图4所示.

从图4可以看出，夏季、冬季隧道空气温度日变化规律基本相同.夏季隧道空气温度最低为30.8 ℃，最高为33.5 ℃，平均温度为32.3 ℃.受室外温度的影响，冬季隧道空气温度整体要低于夏季，冬季隧道空气温度最低为20.7 ℃，最高温度为24.4 ℃，平均温度为23.2 ℃.夏季日隧道空气温差为2.6 ℃，冬季日隧道空气温差为3.7 ℃，隧道空气日温差较小，且夏季隧道空气日温差小于冬季.

图4 隧道空气温度日变化情况

2 运行模式影响下的毛细管换热性能分析

基于验证的毛细管前端换热器仿真计算模型，通过模拟计算，分析了夏季和冬季工况下运行模式对毛细管换热性能的影响情况.毛细管面积取10 m2，毛细管内介质为水，管内流速取0.1 m/s.进口水温夏季取38 ℃，冬季取5 ℃.围岩初始温度为16 ℃，围岩导热系数为2.2 W/(m·K)，热扩散率为0.9×10-6m2/s.以测试所得的24 h隧道空气温度为计算参数，夏季隧道空气温度平均为32.3 ℃，冬季为23.2 ℃.模拟运行时长为5 d.

2.1 连续运行

连续运行时毛细管单位面积换热量随时间的变化情况如图5所示.由图5可知，毛细管单位面积换热量随运行时间延长而降低，长时间连续运行将降低毛细管前端换热器的换热性能.在该计算工况下，连续运行时长对毛细管换热器换热性能的影响，夏季要大于冬季.夏季制冷时，连续运行时长由24 h增加至120 h，单位面积换热量由67.61 W/m2降低至48.24 W/m2，换热性能降低了29%.冬季时，连续运行时间由24 h增加至120 h，单位面积换热量由69.23 W/m2降低至 61.93 W/m2，换热性能降低了11%.

2.2 间歇运行

长时间换热后，毛细管周围岩体中会堆积冷热量，影响后续换热过程，换热器换热量逐渐降低.间歇运行概念是根据建筑环境中供热供冷系统机组运行具有间断的特点和地温的可恢复性提出的高效利用地温能的有效措施[14].地铁源热泵系统的日运行时间要根据上部建筑的特点和服务功能以及建筑空调系统而定.

运行期每天设置运行16 h间隔8 h、运行12 h间隔12 h、运行8 h间隔16 h、运行4 h间隔20 h，用日运行时间比来表示，则日运行时间比分别为2/3，1/2，1/3，1/6.模拟计算时长仍设为5 d.

2.2.1 夏季工况

夏季工况时不同日运行时间对毛细管换热性能的影响情况如图6所示.在相同的换热时间条件下，日运行时间比越小，毛细管前端换热器每天向隧道空气和围岩释放热量的时间越短，毛细管周围岩体温度可恢复(即温度回落)的时间就相应的长一些，换热器单位面积释热量越高.通过减小系统日运行时间比，可以提高毛细管换热器在运行期内整体的取冷性能.日运行时间比为2/3，1/2，1/3，1/6，系统运行5 d后，间歇运行时毛细管前端换热器单位面积换热量比连续运行时分别提高了7%，9%，18%，29%.可以看出，夏季工况时当日运行时间比小于等于1/3时，毛细管换热器换热性能有大幅度改善.当日运行时间比为1/3，运行时长为1 ，2 ，3 ，4，5 d时，毛细管前端换热器单位面积换热量比连续运行时分别提高了10%，13%，15%，17%，18%.

需要注意的是，在该计算条件下，当日运行时间比为2/3，1/2时，毛细管单位面积换热量相差不大.另外，当隧道空气温度高于围岩初始温度，即使毛细管前端换热器不再向隧道空气和围岩中放热，围岩体温度场也无法恢复至运行前状态.

2.2.2 冬季工况

冬季工况时不同日运行时间对毛细管换热性能的影响情况如图7所示.在相同的换热时间条件下，日运行时间比越小，毛细管前端换热器每天从隧道空气和围岩取热的时间越短，毛细管周围岩体温度可恢复(即温度回升)的时间就相应的长一些，换热器单位面积取热量越高.通过减小系统日运行时间比，可以提高毛细管换热器在运行期内整体的取热性能.日运行时间比为2/3，1/2，1/3，1/6，系统运行5 d后，间歇运行时毛细管前端换热器单位面积换热量比连续运行时分别提高了11%，22%，28%，37%.可以看出，冬季工况时通过减少毛细管的换热时间，毛细管换热器换热性能有明显改善，且间歇运行对于毛细管换热性能的改善效果，冬季要优于夏季.当日运行时间比为1/3，运行时长为1 ，2 ，3 ，4，5 d时，毛细管换热器单位面积换热量比连续运行时分别提高了15%，21%，24 %，26%，28%.

在该计算条件下，当系统日运行时间比为1/3时即日运行时间为8 h，毛细管单位面积换热量随运行时间延长基本保持不变；当系统日运行时间比小于1/3时即日运行时间少于8 h时，毛细管单位面积换热量随运行时间延长而增大.这主要是因为系统日运行小于等于8 h时，其每天从隧道空气和围岩中取热的时间短，围岩初始温度恢复的时间长，且隧道空气温度高于围岩初始温度，空气向衬砌和围岩中传热，当毛细管再次开始取热时，围岩温度高于上次换热前的围岩温度.

3 结论

本文利用地铁地源热泵系统现场试验验证了毛细管传热的TRNSYS仿真计算模型的准确性，通过模拟计算了夏季取冷和冬季取热工况下毛细管的换热量，分析了连续运行和间歇运行对毛细管换热性能的影响，结果表明：长时间连续运行不利于毛细管与周围岩土体的热交换，将导致换热器换热性能降低；日运行时间越短，换热器单位面积换热量越高，且间歇运行对于毛细管换热性能的改善效果，冬季要优于夏季；当日运行时间小于等于8 h时，连续换热5 d后，夏季工况毛细管前端换热器单位面积换热量比连续运行时提高18%，冬季工况提高28%.