多鉆孔豎直U型埋管換熱器傳熱研究

引言

    被稱為21世紀(jì)“綠色空調(diào)技術(shù)”的地源熱泵技 術(shù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。多數(shù)研究者們對(duì)地源熱 泵的研究主要集中在單 個(gè)鉆孔地埋管換熱器的傳熱性能上 ［1，2］ ，并得到了一些有用的結(jié)論。然而，實(shí)際 工程中，埋管換熱器系統(tǒng)通常都是由多眼鉆孔組 成 的 ［3，4］ ，如果用以往的傳熱模型對(duì)其進(jìn)行模擬，將單 鉆孔模擬的結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加來(lái)對(duì)多鉆孔溫度場(chǎng) 進(jìn)行模擬，則不能真實(shí)和準(zhǔn)確的反映整個(gè) 鉆孔區(qū)域內(nèi)土壤的溫度變化。

    以多鉆孔系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用傳熱理論和數(shù)值方法對(duì)土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果能更真實(shí)和直觀的反 映實(shí)際情況。通常系統(tǒng)施工時(shí)設(shè)置埋管的場(chǎng)地和鉆孔的深度都會(huì)受到限制，因此鉆孔的布 置形式和間距的選擇就顯得至關(guān)重要。通常地源熱泵系統(tǒng)地下管群換熱器 的布置形式有兩種，分別為順序排列和交叉排列。本文針對(duì)以上兩種典型的布置形式進(jìn)行研究，分析系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間及鉆孔間距和布置形式對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響。

    1 傳熱模型及網(wǎng)格劃分

    (1) 模型的建立基于如下假設(shè):①忽略地表面 溫度波動(dòng)對(duì)土壤溫度的影響，認(rèn)為土壤初始溫度均 勻一致，恒定不變，且等于邊界土壤的溫度;②認(rèn)為 埋管和回填土 接觸良好，忽略接觸熱阻;③管壁厚度 與外界土壤相比忽略不計(jì)，即不考慮管壁熱阻;④不 考慮水分遷移對(duì)熱量傳遞的影響。

    (2) 幾何形狀:模型的幾何體包括U型管內(nèi)的 防凍液、U型管、回填材料及土壤。同時(shí)設(shè)各U型 埋管左側(cè)為進(jìn)液管，右側(cè)為出液管。鉆孔橫截面視 為圓形，模擬范 圍內(nèi)土壤的橫截面視為四方形，計(jì)算 面積為10 m×10 m區(qū)域，區(qū)域內(nèi)布置四眼鉆孔，孔 間距均相同。

    (3)控制方程

                  

    (6)網(wǎng)格劃分

    網(wǎng) 格劃分的原則是在溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)變化劇烈的地方和方向密集劃分網(wǎng)格，而在溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)變化緩慢的地方和方向疏松劃分網(wǎng)格。由于地下?lián)Q熱器傳熱過(guò)程中，溫 度沿徑向方向變化較大，因此在水平方向上對(duì)U型管周?chē)W(wǎng)格進(jìn)行了局部加密。用三節(jié)點(diǎn)單元對(duì)U型管周?chē)靥钔良巴寥肋M(jìn)行單元?jiǎng)澐?，如圖1為鉆孔順序排列的情 況，圖2為鉆孔交叉排列的情況。

                

    (7)模擬參數(shù)

    熱 泵在制冷模式下，防凍液進(jìn)出口溫度分別取 為37℃、33℃(進(jìn)出口液體最大溫差大約為 5℃ ［5］ )。研究垂直深度為2m處換熱器周?chē)寥罍?nbsp;度場(chǎng) 的分布情況。模擬計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1 ［6，7］ 。 2系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響 有研究表明，系統(tǒng)運(yùn)行400 h模擬運(yùn)行已經(jīng)能夠 很好的反映土壤 溫度場(chǎng)的變化趨勢(shì) ［4］ ，因此，這里 研究720 h內(nèi)鉆孔中心間距為4 m時(shí)土壤溫度場(chǎng)的變 化情況。

               

    從 圖3～圖6可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行24 h內(nèi)，各鉆 孔的熱作用半徑(換熱器中心至土壤溫度為15℃的 界面的水平距離)均為2.04 m，說(shuō)明各鉆孔相互 之 間溫度場(chǎng)基本未受影響，且四個(gè)換熱器溫度場(chǎng)分布相同。系統(tǒng)運(yùn)行24 h以后，各鉆孔間開(kāi)始出現(xiàn)熱干擾現(xiàn)象，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，熱干擾現(xiàn)象越強(qiáng)烈。圖 7表示了系統(tǒng)不同運(yùn)行時(shí)間Y=2 m處土壤溫度在X方向的溫度分布。

                

                

    表 2表示了鉆孔間有熱干擾時(shí)土壤的溫度變化 情況，表3表示了鉆孔無(wú)熱干擾時(shí)土壤的溫度變化 情況，兩組數(shù)據(jù)具有可比性。結(jié)合圖5、表1和表2， 通過(guò)比較 得知各鉆孔內(nèi)的溫度分布幾乎不受鉆孔間 熱干擾的影響，鉆孔內(nèi)的溫度大幅度高于周?chē)寥?nbsp;溫度，熱干擾主要發(fā)生在鉆孔之間，在兩鉆孔中間影 響最大，溫升 (3.78℃)比無(wú)熱干擾時(shí)(2.05℃)高 1.73℃(盡管最大溫差不在兩鉆孔中間位置)。

                 

    3 鉆孔布置形式對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響

    模擬系統(tǒng)運(yùn)行480 h后，鉆孔中心間距分別為 4 m、5 m和6 m，鉆孔順序排列時(shí)的土壤溫度分布情 況，以及鉆孔中心間距為4 m，鉆孔交叉排列時(shí)的土 壤溫度分布情況。其他參數(shù)同上。

    由圖8～圖11可以看出，同一運(yùn)行時(shí)間，鉆孔 順序排列時(shí)，隨著鉆孔中心間距的逐漸增大，模擬土 壤區(qū)域中間部位的溫度逐漸降低。圖12表示了Y =0時(shí)，土壤溫度在X方向的溫度分布圖。

                

    首先，對(duì)于鉆孔順序排列的情形，隨著鉆孔中心間距的增大，各個(gè)點(diǎn)的土壤溫度逐漸減小，而且溫度曲線也趨于平緩。這說(shuō)明熱泵機(jī)組運(yùn)行條件相同時(shí)，鉆孔間距越大，相應(yīng)的可以有更多的熱量排放到土壤中，即更有利于鉆孔附近的土壤能源被充分利用。

                

                

    其 次，當(dāng)鉆孔間距為4 m時(shí)，比較鉆孔順序排列和交叉排列的曲線不難發(fā)現(xiàn)，順序排列的情形，土壤溫度分布曲線波動(dòng)很大，四個(gè)鉆孔之間的溫度波 動(dòng)較明顯，最 低溫度為16.55℃，最高達(dá)17.54℃，在X方向上土壤平均溫度為16.84℃。而鉆孔交叉排 列的情形，土壤溫度分布曲線相對(duì)很平緩，溫度分布 均 勻，尤其是鉆孔間的溫度波動(dòng)特別小，在X方向上土壤平均溫度為17.43℃。這說(shuō)明鉆孔順序布置的方式對(duì)土壤能源的利用很不均衡，在鉆孔附近的區(qū)域土壤的 冷量被大量取出，而鉆孔之間的區(qū)域冷量卻利用較少。而交叉排列的情形就不一樣，鉆孔附近區(qū)域土壤能源利用很均勻。以上分析說(shuō)明從土壤能源利用均衡性角度來(lái) 講鉆孔交叉排列的形式優(yōu)于順序排列的形式。

    4 結(jié)論

    四個(gè)鉆孔垂直U型埋地?fù)Q熱器運(yùn)行720 h模擬 結(jié) 果表明:運(yùn)行24 h以后，各鉆孔間開(kāi)始出現(xiàn)熱干擾現(xiàn)象，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，熱干擾現(xiàn)象越強(qiáng)烈。各鉆孔內(nèi)的溫度分布幾乎不受鉆孔間熱干擾的影響，鉆孔內(nèi) 的溫度大幅度高于周?chē)寥罍囟?，熱干擾主要發(fā)生在鉆孔之間，在兩鉆孔中間影響最大;鉆孔間距越大，相應(yīng)的可以有更多的熱量排放到土壤中，即更有利于鉆孔附 近的土壤能源被充分利用。且從土壤能源利用均衡性角度來(lái)講鉆孔交叉排列的形式優(yōu)于順序排列的形式。