管间距对土壤源热泵换热效果的影响

尹春亚

沈阳建筑大学市政与环境工程学院（110168）

0 引言

地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，地源热泵作为冷热源系统具有绿色和高效两大优点，因而得到了广泛的应用[1]。然而取放热的收支不平衡导致长期运行后，作为冷热源的埋管周围土壤温度会逐年降低而形成能量堆积，最终导致地源热泵机组运行效率降低，从而失去土壤源热泵具有的节能优势[2]。埋管区域土壤吸放热量差和钻孔间距是造成换热效果下降最主要的因素。土壤吸放热量差异虽然是造成土壤热堆积问题的根本原因，但对于特定项目是不易改变的客观因素，而钻孔间距作为另一个重要参数在设计时可以灵活改变，且钻孔间距设置是否合理对埋管区域土壤热堆积问题有很大影响[3]。在条件允许的情况下，可以适当增大管间距来缓解土壤热干扰的问题[4]。增大钻孔间距可以减少土壤温度变化幅度[5]。文章选用有限长线热源模型，通过建立地源热泵传热模型，用数值模拟方法讨论了不同管间距对地埋管换热器工作性能的分析。以夏季工况为研究工况，模拟了夏季运行2个月的工作情况。分别模拟了均匀土壤模型和考虑土壤分层的条件下4 m、5 m、6 m、7 m管间距，土壤做分层处理时，假设土壤上部30 m是砂，下部50 m是泥。分析地源热泵夏季运行工况运行30 d和运行60 d后土壤温度变化情况。对土壤源热泵工程设计中钻孔间距对地埋管传热的影响进行研究，为土壤源热泵系统的设计与研究提供理论依据[6]。

1 模型的建立

采用等效直径模型对其进行模拟计算，U型管单根等效直径为40 mm，采用非均匀负荷数值模型考虑流体从埋管上部流入、下部流出。

假设土壤结构均匀，土壤中砂或泥的热传导公式通过下式计算:

其中，λk，ρk和cp，k分别表示砂（k=s）和泥（k=n）的导热系数（W/m·℃）、密度（kg/m3）以及比热容（J/kg·℃）。

模拟采用绝热边界条件，考虑到埋管传热过程有一定辐射范围，固将模拟区域设置地较大，防止边界温度变化。模拟工况详细参数:水以15℃为特征温度，导热系数为0.587 W/(m2·K)，比热容为4.217 kJ/kg·℃)，密度为1 000 kg/m3。土壤温度均匀为15.6℃。土壤的主要成分为砂与泥的混合物，其中砂的导热系数为1.587 W/(m·K)，比热容为1.798 kJ/(kg·℃)，密度为1 285 kg/m3；在泥的导热系数为0.682 W/(m·K)时，比热容为1.439 kJ/kg·℃)，密度为1 430 kg/m3。在文章中均匀土壤假设土壤的主要成分唯一为砂，分层土壤假设土壤上部30 m是砂，下部50 m是泥，分别讨论不同管间距对换热性能影响。入水口水温为25℃，钻孔深度80 m。因管壁导热系数远大于混合物土壤的导热系数，故忽略了管壁的热阻。

2 模拟结果分析

本节以夏季工况为研究工况，模拟了均匀土壤和分层土壤在管间距分别为4 m、5 m、6 m、7 m时夏季工况运行30 d的土壤温度变化情况。

管间距为4 m土壤未分层时当运行达到30 d，管间热干扰现象明显，管间土壤温度基本与入水口温度一致，此时埋管传热影响周围2 m土壤。当夏季工况结束时，管间土壤已与进口水温一致，埋管最大影响范围确定为3.5 m。土壤分层运行达到30 d时，两管间发生明显热干扰，此时热分层现象开始模糊。当夏季工况结束时，管间热干扰现象强烈，热分层现象几乎消失，这是因为土壤温度场达到稳态，管间与管侧导热现象发展充分，管间土壤温度明显高于管侧土壤温度，管间土壤温度为19℃。当管间距增加为5 m时埋管传热影响周围1.7 m土壤。埋管最大影响范围确定为4.8 m。当夏季工况结束时，管间土壤温度为18℃。管间距为6 m时管间土壤温度16.4℃。当夏季工况结束时，管间热干扰现象加强，管间土壤温度明显高于管侧土壤温度，管间土壤温度为17.3℃。土壤分层运行前期温度分层明显。当夏季工况结束时，管间土壤温度为17℃。土壤未分层当运行达到30 d时，管间土壤温度16℃。当夏季工况结束时，管间热干扰现象加强，管间土壤温度明显高于管侧土壤温度，管间土壤温度为17℃。管间距7 m时，相邻两管周围分层土壤温度变化趋势。当运行达到30 d时两管间未发生热干扰现象，且温度分层明显。运行达到60 d时，两管间开始发生热干扰，当夏季工况结束时，管间土壤温度为16.8℃。

分析可知当地埋管间距4 m时，在运行初期，土壤平均温度上升较慢，经过约200 h运行后，土壤温度基本成线性上升。在夏季工况运行结束时土壤平均温度达到18.3℃。分层土壤平均温度在运行初期，土壤平均温度上升较慢，经过约160 h运行后，土壤温度基本成线性上升。在夏季工况运行结束时土壤平均温度达到18.15℃。与未分层土壤相比较，温度上升的转折点发生更早，而土壤平均温度相差0.05℃，由此可以证明两种模型在传热现象充分发展的前提下可以达到一致结果。地埋管间距5 m时夏季工况土壤平均温度变化曲线，在运行初期，土壤平均温度上升较慢，经过约120 h运行后，土壤温度基本成线性上升。在夏季工况运行结束时土壤平均温度达到19.2℃。地埋管间距5 m时经过约100 h运行后，土壤温度基本成线性上升。在夏季工况运行结束时土壤平均温度达到19.15℃。与均匀土壤材料相比，当温度场达到稳态时，土壤平均温度略低。地埋管间距6 m时经过约90 h运行后，土壤温度基本成线性上升。在夏季工况运行结束时土壤平均温度达到20.4℃。土壤分层在夏季工况运行结束时土壤平均温度达到20.3℃。地埋管间距7 m时经过约50 h运行后，土壤温度基本成线性上升。在夏季工况运行结束时土壤平均温度达到21.6℃。土壤分层时经过约10 h运行后，土壤温度基本成线性上升。在夏季工况运行结束时土壤平均温度达到21.61℃。

3 结论

综上模拟结果，由于模拟区域体积大小相等，所以当管间距较小时管间会产生明显的热干扰现象，而热干扰现象会降低换热效率，导致夏季工况结束时最终土壤平均温度较低。此外，当土壤温度呈线性增长时温度上升最快，所以减少温度平缓上升时间也有助于土壤温度升高，从这个角度来看管间距越大越好。而事实上，当管间距从4 m增加到6 m是土壤最终平均温度上升明显，而当管间距增加到7 m时土壤平均温度上升速度减缓，综合考虑投资和土地有效利用率，在此模拟工况下，管间距为6 m是最佳选择。根据分层土壤结构模型与均匀土壤结构模型模拟结果可知，当传热效果未充分发展时，土壤温度场分层明显，当传热充分时，两种传热模型的最终平均土壤温度基本相同。此外分层土壤结构中土壤温度上升转折点更早出现，但最终土壤平均温度往往低于均质模型。当研究温度场分层现象对地源热泵效率影响问题时，分层土壤模型能带来更清晰明显的结果。类比均匀土壤模型，当采用分层土壤结构模型仍能得到6 m管间距是最佳管间距离。