基于滲流型傳熱機(jī)制的地埋管換熱特性研究

                           於仲義1 ,陳焰華1,胡平放2

    (1.武漢市建筑設(shè)計(jì)院設(shè)備所,湖北武漢　430014;2。華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢　430074)

    摘　要：基于地埋管三維滲流傳熱模型和合理模擬邊界條件,利用動(dòng)態(tài)模擬分析了影響地埋管換熱特性的主要因素及其變化規(guī)律,得出如下結(jié)論:土壤中存在一定速度的滲流時(shí),可持續(xù)削弱熱堆積作用,提高地埋管能效系數(shù),減小地埋管的設(shè)計(jì)尺寸;減小埋管進(jìn)口流速和增大地下水來(lái)流速度可有效提高能效.考慮到熱泵機(jī)組高效運(yùn)行條件,需根據(jù)空調(diào)負(fù)荷特征選取合適的地埋管進(jìn)水溫度和流體流動(dòng)速度;一定恢復(fù)期的間歇運(yùn)行模式可使得土壤較好的恢復(fù)到初始狀態(tài),加長(zhǎng)有效換熱時(shí)間.

    關(guān)鍵詞：滲流;傳熱;地埋管;能效系數(shù)

    中圖分類(lèi)號(hào)：TB611　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

    地埋管地源熱泵垂直U型管的埋設(shè)深度通常達(dá)40~120 m.在這么深的地層內(nèi),或多或少地都存在著地下水的滲流.對(duì)于埋設(shè)在有滲流土壤中的地埋管換熱器或位于土壤飽和區(qū)內(nèi)的部分管段而言,其周?chē)寥乐械膫鳠徇^(guò)程是一個(gè)在溫度梯度和水力梯度共同作用下的熱傳導(dǎo)與對(duì)流換熱相互耦合的傳熱過(guò)程[1-2].在有地下水滲流的情況下,地埋管與周?chē)寥赖膫鳠嵬緩接袃煞N:一是多孔介質(zhì)骨架和孔隙中地下水的導(dǎo)熱;二是地下水滲流產(chǎn)生的水平對(duì)流換熱[3-4].這種多途徑的傳熱方式影響著地埋管的傳熱過(guò)程.因此,本文將基于文獻(xiàn)[5]的地埋管滲流傳熱模型模擬分析地下水流動(dòng)對(duì)于地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響,此種研究可以使得地埋管的設(shè)計(jì)更加精確、運(yùn)行更加優(yōu)化,從而極大地降低地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)初投資和運(yùn)行能耗.

    1　滲流機(jī)制下地埋管換熱模擬計(jì)算條件

    1·1　地埋管結(jié)構(gòu)和土壤物性條件

    為了研究地埋管在滲流型傳熱機(jī)制下的換熱特性,將以地埋管地源熱泵夏季空調(diào)工況為例進(jìn)行模擬分析,基本模擬條件如表1所示.

              

    1·2　矩形無(wú)窮遠(yuǎn)數(shù)值模擬邊界尺寸

    土壤是一個(gè)飽和的或部分飽和的含濕多孔介質(zhì)體系,但對(duì)于地下水位線以下的埋管區(qū)域,埋管換熱器周?chē)耐寥酪烟幱陲柡蜖顟B(tài),此時(shí)土壤熱濕遷移耦合作用的影響已很弱,而地下水水平方向滲流的強(qiáng)弱成為對(duì)土壤傳熱的主要影響因素.為建立符合實(shí)際的滲流邊界條件地埋管傳熱模型,考慮到地下水滲流流動(dòng)過(guò)程的方向性,數(shù)值計(jì)算邊界域采用方形,其截面如圖1所示.考慮到計(jì)算條件限制以及本著分析地埋管傳熱特性為目的,計(jì)算模擬時(shí)間為2 500 h.

    要在數(shù)值模擬當(dāng)中完全真實(shí)再現(xiàn)滲流工況下地埋管換熱的無(wú)窮邊界是不現(xiàn)實(shí)的,因此必須選擇適當(dāng)?shù)倪吔缰狄员ＷC在模擬計(jì)算中邊界處不受地埋管取熱或排熱的干擾,也就是邊界處的熱狀態(tài)不發(fā)生變化,滿(mǎn)足定義無(wú)窮遠(yuǎn)邊界的條件.正是地下水滲流方向性極大地影響著地埋管換熱過(guò)程中熱流傳遞方向,使得土壤中熱量傳遞主要集中在滲流的方向上在垂直于滲流方向上以導(dǎo)熱模式傳遞熱量為主,因而在圖1中邊界值L3可以采用導(dǎo)熱機(jī)制下的無(wú)窮遠(yuǎn)邊界值,上游邊界值L1及下游邊界值L2的設(shè)定則受地下水流較大的影響.存在地下滲流使得地下水流方向上游的冷熱量不斷地隨著水的流動(dòng)向下游傳遞,這與無(wú)滲流時(shí)土壤導(dǎo)熱呈輻射狀傳熱有很大的不同,使得上、下游土壤溫度的變化強(qiáng)度呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì),導(dǎo)致L1的取值將明顯小于L2的取值.滲流條件傳熱受諸多因素的不同程度的影響,無(wú)窮遠(yuǎn)邊界處的熱擾動(dòng)狀態(tài)必然也隨之變化.

               

    根據(jù)文獻(xiàn)[6]對(duì)無(wú)量綱邊界熱擾動(dòng)因子的影響因素分析,為保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確可靠,需要根據(jù)模擬時(shí)間來(lái)選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算邊界值.在大多數(shù)情形下,L1=500ro,L2=2 000ro,L3=1 250ro的計(jì)算邊界值可以滿(mǎn)足模擬地埋管空調(diào)季的換熱要求.

    2　滲流型與導(dǎo)熱型地埋管傳熱特性比較

    目前,在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上大多數(shù)地源熱泵設(shè)計(jì)人員只注意到了地埋管換熱量應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,但對(duì)于地埋管出口溫度是否滿(mǎn)足熱泵機(jī)組高效運(yùn)行則考慮極少或者忽略,因此設(shè)計(jì)結(jié)果具有一定的偏差和局限性.本文將基于地埋管流體出口溫度,以文獻(xiàn)[7]定義的能效系數(shù)作為定量指標(biāo)分析存在地下滲流時(shí)對(duì)埋管換熱特性的影響.

    既然有地下滲流時(shí)存在對(duì)流換熱的作用,地埋管熱量傳遞過(guò)程與導(dǎo)熱型模式就有明顯的不同,作為反映地埋管換熱品質(zhì)的能效系數(shù)必將具備各自特點(diǎn),如圖2所示.圖2表示在其它計(jì)算條件相同的情況下,有無(wú)地下滲流時(shí)地埋管能效系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì).

    從圖2中可以看出,無(wú)論是否有地下水流的存在,在地埋管運(yùn)行初始階段,周?chē)寥赖臒崃慷逊e從無(wú)到有,能效系數(shù)發(fā)生劇烈的變化,在短時(shí)間內(nèi)迅速下降.當(dāng)?shù)芈窆苤車(chē)寥赖臒岫逊e作用占主導(dǎo)地位時(shí),能效系數(shù)均發(fā)生較小程度的變化,到一定階段時(shí),有無(wú)滲流的情形下能效系數(shù)變化趨勢(shì)就表現(xiàn)出不一致.有滲流時(shí),地埋管能效系數(shù)降低到一定值時(shí)就不再發(fā)生變化,換熱能力趨于恒定,這與文獻(xiàn)[8]中滲流工況下的無(wú)量綱溫度變化規(guī)律一致.無(wú)滲流時(shí),地埋管換熱器能效系數(shù)則一直逐步降低,換熱能力持續(xù)緩慢降低.運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng),兩者之間的能效系數(shù)差值就越大,地埋管流體出口溫度相差也越大,表明滲流能夠消除或減弱熱堆積效應(yīng).

              

    由此可見(jiàn),若地埋管埋設(shè)在有滲流的土壤中而未考慮滲流的影響會(huì)帶來(lái)很大的誤差,致使埋管數(shù)量增加,初投資增大,影響該技術(shù)的推廣應(yīng)用,因此在地埋管換熱器的設(shè)計(jì)和分析傳熱特性時(shí)應(yīng)根據(jù)土壤情況區(qū)別對(duì)待.

    3　滲流機(jī)制下地埋管傳熱影響因素分析

    對(duì)于滲流型而言,最大不同之處就在于所在的土壤中存在地下水,具有熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流傳熱雙重方式,既具有導(dǎo)熱型傳熱特性的變換規(guī)律,又具備自身的換熱特性和變化規(guī)律[2].基于此,將計(jì)算分析含地下水的土壤狀態(tài)、換熱負(fù)荷特性以及運(yùn)行方式對(duì)地埋管能效特性的影響情況,可以進(jìn)一步明確有滲流土壤中地埋管換熱器的換熱規(guī)律,從而為地埋管換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及運(yùn)行模式合理化奠定理論基礎(chǔ).

    3·1　土壤狀態(tài)對(duì)埋管傳熱特性的影響

    在含水層中,影響地下水流速的有土壤孔隙率、滲透系數(shù)、水力梯度等諸多參數(shù).在本文不展開(kāi)討論地下水流速的計(jì)算以及測(cè)量問(wèn)題,只著重于土壤類(lèi)型不同、地下水流速和來(lái)流溫度改變時(shí)對(duì)地埋管換熱特性所帶來(lái)的影響.

    3.1.1　土壤類(lèi)型

    選取砂礫、粉砂及石灰?guī)r三種土壤進(jìn)行對(duì)比分析,其各自的熱物性參數(shù)見(jiàn)表2,相應(yīng)的地埋管能效系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律如圖3所示.

              

    從圖3中可以看出,土壤類(lèi)型對(duì)地埋管能效系數(shù)穩(wěn)定時(shí)刻及數(shù)值有較明顯的影響.地埋管來(lái)流進(jìn)入到地埋管中與周?chē)寥肋M(jìn)行換熱初期,此時(shí)埋管周?chē)耐寥罒o(wú)大量熱量的累積,在同樣的地埋管進(jìn)水溫度下,三種土壤類(lèi)型的能效特性幾乎無(wú)差別.隨著流體與周?chē)寥赖睦^續(xù)換熱,周?chē)寥篱_(kāi)始出現(xiàn)不同程度的熱堆積效應(yīng),能效系數(shù)與前期相比有不同程度的降低.隨著時(shí)間的推移,能效系數(shù)的變化逐漸趨于平緩,直至穩(wěn)定.由于粉砂型土壤地下水流動(dòng)較慢,在地埋管傳熱過(guò)程中地下水微元體與埋管周?chē)寥澜佑|時(shí)間較長(zhǎng),埋設(shè)在該類(lèi)型中的土壤先于砂礫型、石灰?guī)r型土壤達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),三者達(dá)到穩(wěn)定傳熱狀態(tài)的時(shí)間分別為270 h,410 h和450 h.在地埋管與土壤傳熱過(guò)程中,由于不同土壤類(lèi)型傳遞熱量的能力、孔隙率及地下水流速不同,能效系數(shù)變化趨勢(shì)開(kāi)始不一致.在運(yùn)行時(shí)間為1 h的時(shí)刻,粉砂土壤的地埋管換熱器能效系數(shù)為0.262,砂礫型、石灰?guī)r型土壤分別為0.239和0.259;運(yùn)行時(shí)間為100 h的時(shí)刻,粉砂土壤的地埋管換熱器能效系數(shù)為0.197,后兩者分別為0.156和0.187.這主要是粉砂型土壤的孔隙率較大,土壤滲透率相應(yīng)地也較大,有助于地埋管的換熱,而砂礫型土壤中地下水流速、土壤導(dǎo)熱系數(shù)均較石灰?guī)r型土壤小,因而其能效系數(shù)在三者之中最小.可見(jiàn),土壤孔隙率、滲透率及地下水流速越大,土壤換熱能效系數(shù)就越高,地埋管流體出口溫度越低,有利于熱泵主機(jī)的高效運(yùn)行,但趨于換熱恒定的時(shí)間越長(zhǎng).

    3.1.2　地下水流速

    圖4表示不同地下水來(lái)流速度條件下地埋管換熱器能效系數(shù)隨時(shí)間變化的情況,地下水流速v1分別為6.0E-06m/s,1.91E-06m/s和2.9E-07m/s,其余物性參數(shù)保持不變.

             

    從圖4中可知,在換熱初期,地埋管與周?chē)寥赖膫鳠崾且詿醾鲗?dǎo)為主,三種工況下地埋管能效系數(shù)的變化呈相同的趨勢(shì).隨著地埋管運(yùn)行時(shí)間的增加,地下水的對(duì)流換熱起主導(dǎo)作用,地埋管能效系數(shù)產(chǎn)生明顯差異.雖然埋管周?chē)臒岫逊e作用使得三者能效系數(shù)與前一時(shí)間段相比有不同程度的降低,地下水的來(lái)流速度越大,能效系數(shù)相對(duì)就越大.當(dāng)?shù)芈窆苓\(yùn)行一定時(shí)間后,三種流速工況下均趨于穩(wěn)定,換熱能效不再發(fā)生變化.但流速不同能效系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間是不同的,按流速?gòu)拇蟮叫》謩e為450 h,380 h和350 h.可見(jiàn)地下水流速越大換熱能力趨向穩(wěn)定需要的時(shí)間就越長(zhǎng),這也是由于流速較大時(shí),流體內(nèi)各微元體與土壤導(dǎo)熱的時(shí)間相對(duì)要短一些所導(dǎo)致的.

            

    另外,流速?gòu)?.0E-06m/s變化到1.91E-06m/s時(shí),地埋管能效系數(shù)的增加量,與流速?gòu)?.91E-06m/s變化到2.9E-07m/s相比較,已在逐步減小,這主要是因?yàn)闈B流能夠減小熱堆積效應(yīng),減小地埋管流體出口溫度,但不能無(wú)限制地增強(qiáng)能效特性,可以預(yù)見(jiàn)隨著地下水流速的增加,能效系數(shù)應(yīng)該有一個(gè)極值.

    3.1.3　地下水來(lái)流溫度

    地下水儲(chǔ)存在土壤中,與土壤的初始溫度基本相同.選取地下水來(lái)流溫度T1分別為20℃,17℃和14℃,圖5表示對(duì)應(yīng)地下水來(lái)流速度條件下地埋管能效系數(shù)隨時(shí)間變化的情況.

           

    從圖5中可以看出,三種工況在同一時(shí)刻的能效系數(shù)值沒(méi)有不同之處.也就是說(shuō),地埋管能效系數(shù)并不取決于土壤地下水來(lái)流溫度.當(dāng)然,這并不能說(shuō)明地下水來(lái)流溫度對(duì)地埋管換熱器的換熱能力就沒(méi)有影響,只是能效系數(shù)反映的是地埋管流體出口溫度能夠最大限度趨近于土壤初始溫度的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo).當(dāng)?shù)叵滤畞?lái)流溫度越小時(shí),如在地埋管運(yùn)行到1 000 h的時(shí)刻,三種工況的地埋管能效系數(shù)均為0.183,相應(yīng)的地下水來(lái)流溫度為20℃,17℃和14℃的進(jìn)出口水溫度差分別為3.66℃,3.11℃和2.56℃.在一定的進(jìn)水流速條件下,地下水來(lái)流溫度越低,地埋管換熱能力最強(qiáng).

    3·2　地埋管換熱負(fù)荷對(duì)傳熱特性的影響

    3.2.1　地埋管進(jìn)水溫度

    圖6表示不同進(jìn)水溫度條件下,地埋管換熱器能效隨時(shí)間變化的情況,模擬運(yùn)行工況是地埋管進(jìn)水溫度Tin分別為40℃,37℃和34℃.

        

    從圖6中可以看出,地埋管能效系數(shù)的變化并不取決于地埋管進(jìn)水溫度,但進(jìn)水溫度越高,在沿U型地埋管行進(jìn)時(shí)管內(nèi)流體與周?chē)寥罍夭钤酱?在流量相同情況下,換熱能力相對(duì)越強(qiáng).

    3.2.2　地埋管水流速

    圖7表示地埋管內(nèi)流體不同流速條件下地埋管換熱器能效系數(shù)隨時(shí)間變化情況,模擬工況下管內(nèi)流體速度v分別為1.0 m/s,0.8 m/s和0.6 m/s.

           

    從圖7可看出,在換熱運(yùn)行初期,在同樣的地埋管埋設(shè)深度條件下,埋管進(jìn)水速度不同的地埋管中水流與周?chē)寥罒峤粨Q的時(shí)間不同,排出的熱量也有很大的不同.因而地埋管出水溫度有較大差異,對(duì)應(yīng)的地埋管換熱器能效系數(shù)分布有較大的差別,能效系數(shù)隨著流速增加而減小.隨著運(yùn)行時(shí)間增加,埋管周?chē)寥罒岫逊e作用使得三者能效系數(shù)差異穩(wěn)定不變,v越小能效系數(shù)越大,但流速不同能效系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間是不同的,分別為450 h,510 h和550 h,可見(jiàn)埋管內(nèi)流速越大,換熱能力趨向穩(wěn)定需要的時(shí)間就越長(zhǎng),這主要是流速不同時(shí)流體內(nèi)各微元體與土壤導(dǎo)熱的時(shí)間相對(duì)要短一些所導(dǎo)致的.

    3·3　地埋管運(yùn)行模式對(duì)傳熱特性的影響地埋管地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí),地下水的流動(dòng)能夠及時(shí)地帶走埋管周?chē)嘤嗟臒崃?有效削弱埋管周?chē)寥赖臒岫逊e作用,最終保證地埋管能效系數(shù)持續(xù)穩(wěn)定.如果此時(shí)地埋管流體出口溫度可能已超出熱泵機(jī)組高效范圍,地埋管連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間必須得到有效控制.

    為最大潛力地利用滲流土壤的蓄能和傳熱能力,可采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng),保證地埋管周?chē)寥烙幸欢ǖ淖匀换謴?fù)期,使得地埋管流體出口溫度能夠最大限度地降低.目前,根據(jù)建筑功能和使用時(shí)間,土壤源熱泵復(fù)合式系統(tǒng)大多采用日循環(huán)控制機(jī)制,地埋管的進(jìn)口水溫表現(xiàn)一定的以一天為周期的變化規(guī)律,如圖8所示.圖8表示典型的日循環(huán)周期時(shí)間條件下地埋管能效系數(shù)變化情況.日循環(huán)周期1工況是每天運(yùn)行12 h,停歇12 h,時(shí)間比為1∶1;日循環(huán)周期2工況是每天運(yùn)行8 h,停歇16 h,時(shí)間比為1∶2;日循環(huán)周期3工況是地埋管連續(xù)不間斷運(yùn)行.

          

    從圖8中可以看出,循環(huán)周期工況的能效系數(shù)在空調(diào)運(yùn)行時(shí)間段范圍要高于連續(xù)運(yùn)行的模式,每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)均是如此,而且在數(shù)值上的變化也是相同的.這主要是由于地下水滲流的存在使得地埋管周?chē)寥赖臏囟饶軌蚧謴?fù)到土壤的初始溫度,因而下一個(gè)周期為地埋管換熱再一次完全重新開(kāi)始,就這樣周而復(fù)始.工況1恢復(fù)期短于工況2,達(dá)到完全回復(fù)到土壤初始能量平衡態(tài)時(shí)刻則有所推遲.在設(shè)計(jì)地埋管換熱器系統(tǒng)時(shí),應(yīng)區(qū)別對(duì)待土壤中有無(wú)滲流,采取間歇運(yùn)行模式,能夠保證地埋管地源熱泵系統(tǒng)的高效運(yùn)行.

    4　結(jié)　語(yǔ)

    在有滲流土壤中地埋管換熱器傳熱模型的基礎(chǔ)上對(duì)影響滲流型地埋管換熱器運(yùn)行特性的主要因素,諸如土壤狀態(tài)、換熱負(fù)荷以及運(yùn)行模式進(jìn)行了分析與研究,可以得出如下結(jié)論.

    1)土壤存在滲流時(shí),地埋管在排熱或取熱到一段時(shí)間后換熱能效系數(shù)不變,地埋管流體出口溫度可保持穩(wěn)定,因此,可減小地埋管的設(shè)計(jì)尺寸.

    2)地下水流速在一定限度下增大時(shí),土壤中熱堆積效用降低,達(dá)到換熱穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間也縮短,有利于換熱.地下水來(lái)流溫度雖然不改變能效系數(shù)的大小,但降低地下水溫度值可有效提高地埋管換熱量.

    3)減小進(jìn)口流體速度可有效提高地埋管能效系數(shù),降低地埋管流體出口溫度.考慮到熱泵機(jī)組高效運(yùn)行條件,需根據(jù)空調(diào)負(fù)荷特征優(yōu)化設(shè)計(jì)地埋管和流體循環(huán)速度.

    4)滲流工況下的地埋管換熱模式采用間歇方式進(jìn)行可有效降低地埋管流體出口溫度,特別是一定的恢復(fù)期可使得土壤的溫度能夠恢復(fù)到初始狀態(tài),地埋管的換熱能力得以“再生”,可加長(zhǎng)有效換熱時(shí)間.

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