不同回填材料对地源热泵埋管换热性能的影响

侯静

摘要：本文通过FLUENT模拟地源热泵长期运行不同回填材料对地源热泵埋管换热性能的影响。

关键字 地埋管 回填材料 土壤温度场 换热

地源热泵系统可以按制冷工况和供热工况运行。夏天制冷工况下，空调房间的冷负荷与压缩机所耗功转化为热量排入地下土壤中。一般很少采用将冷凝器盘管直接埋入地下的做法，通常通过中间介质（如水）的循环，达到热量转移的目的。地下埋管换热器与冷凝器连接换热，埋管连成一个封闭的回路，水泵提供动力，水在回路中循环，循环管路在冷凝器中吸收制冷剂的热量，通过地下埋管换热器传给土壤。在供热工况下，转动四通阀，与埋管换热器换热的冷凝器变成热泵机组的蒸发器，埋管换热器里的循环水吸收土壤的热量，流经蒸发器时把热量释放给制冷剂。

1 模型的物性参数

模拟的一个重要前提条件是设置物体的物性参数。影响换热的物性参数主要包括密度、比热容、导热系数。土壤是地源热泵的冷热源，土壤的热物性参数很大程度上影响着地源热泵系统的换热效果。根据资料给出表1典型土壤材质的热物性参数。

地源热泵模型除了设置土壤的物性参数，还需设置管材、回填材料和水的物性参数，本文模型中管材为高密度聚乙烯管，回填材料为20%膨润土加80%SiO2沙子，土壤为某地多种土壤材质的加权平均值[53]。模型物性参数如表2所示。

2  非稳态模拟

本文研究不同导热系数的回填材料对埋管换热性能的影响。建立埋深均为100m，埋管入口流速均为0.4m/s，两管脚间距均为80mm的单U垂直埋管模型。改变填充层导热系数分别为1.2W/（m·K）、1.7W/（m·K）、2.2W/（m·K）、2.7W/（m·K）、3.2W/（m·K）、3.7W/（m·K）时，以0.5W/（m·K）的等间距之差，研究埋管换热器出口温度、进出口温差和单位井深换热量的变化。

图1到图3是改变填充材料的导热系数得到的前2小时、2小时到1天和1天到10天埋管出口溫度变化曲线。

从图1可以看出，由于只改变填充材料物性，其他条件不变化，运行初期出口温度基本相等，随着运行时间的增长，埋管周围填充层导热速度快慢不同，出口温度就有了变化。在前两个小时不同导热材料的埋管出口温度差值原来越大。

从图2可以看出，系统运行2小时到1天，不同填充材料埋管出口温度相差渐渐变小，说明填充层对热泵运行初期影响比较大，随运行时间影响逐渐减小。

从图3可以看出，热泵运行2天后，埋管出口温度慢慢趋于稳定。当热泵运行稳定后，埋管出口温度随填充材料导热系数的增加而降低。导热系数越大，出口温度变化越不明显。

图10可以看出，换热量随填充层导热系数的增加而增加，斜率为正值，但随着导热系数的增加，斜率减小，说明导热系数增加到一定程度，对换热量的影响减小，并且趋于不变。

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