基于滲流型傳熱機制的地埋管換熱特性研究

                           於仲義1 ,陳焰華1,胡平放2

    (1.武漢市建筑設計院設備所,湖北武漢　430014;2。華中科技大學環(huán)境科學與工程學院,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,得出如下結論:土壤中存在一定速度的滲流時,可持續(xù)削弱熱堆積作用,提高地埋管能效系數(shù),減小地埋管的設計尺寸;減小埋管進口流速和增大地下水來流速度可有效提高能效.考慮到熱泵機組高效運行條件,需根據空調負荷特征選取合適的地埋管進水溫度和流體流動速度;一定恢復期的間歇運行模式可使得土壤較好的恢復到初始狀態(tài),加長有效換熱時間.

    關鍵詞：滲流;傳熱;地埋管;能效系數(shù)

    中圖分類號：TB611　　　　文獻標識碼：A

    地埋管地源熱泵垂直U型管的埋設深度通常達40~120 m.在這么深的地層內,或多或少地都存在著地下水的滲流.對于埋設在有滲流土壤中的地埋管換熱器或位于土壤飽和區(qū)內的部分管段而言,其周圍土壤中的傳熱過程是一個在溫度梯度和水力梯度共同作用下的熱傳導與對流換熱相互耦合的傳熱過程[1-2].在有地下水滲流的情況下,地埋管與周圍土壤的傳熱途徑有兩種:一是多孔介質骨架和孔隙中地下水的導熱;二是地下水滲流產生的水平對流換熱[3-4].這種多途徑的傳熱方式影響著地埋管的傳熱過程.因此,本文將基于文獻[5]的地埋管滲流傳熱模型模擬分析地下水流動對于地埋管地源熱泵系統(tǒng)運行特性的影響,此種研究可以使得地埋管的設計更加精確、運行更加優(yōu)化,從而極大地降低地埋管地源熱泵空調系統(tǒng)初投資和運行能耗.

    1　滲流機制下地埋管換熱模擬計算條件

    1·1　地埋管結構和土壤物性條件

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

              

    1·2　矩形無窮遠數(shù)值模擬邊界尺寸

    土壤是一個飽和的或部分飽和的含濕多孔介質體系,但對于地下水位線以下的埋管區(qū)域,埋管換熱器周圍的土壤已處于飽和狀態(tài),此時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弱成為對土壤傳熱的主要影響因素.為建立符合實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過程的方向性,數(shù)值計算邊界域采用方形,其截面如圖1所示.考慮到計算條件限制以及本著分析地埋管傳熱特性為目的,計算模擬時間為2 500 h.

    要在數(shù)值模擬當中完全真實再現(xiàn)滲流工況下地埋管換熱的無窮邊界是不現(xiàn)實的,因此必須選擇適當?shù)倪吔缰狄员ＷC在模擬計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,滿足定義無窮遠邊界的條件.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熱模式傳遞熱量為主,因而在圖1中邊界值L3可以采用導熱機制下的無窮遠邊界值,上游邊界值L1及下游邊界值L2的設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向下游傳遞,這與無滲流時土壤導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度呈現(xiàn)出不同的趨勢,導致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,無窮遠邊界處的熱擾動狀態(tài)必然也隨之變化.

               

    根據文獻[6]對無量綱邊界熱擾動因子的影響因素分析,為保證數(shù)值計算結果的正確可靠,需要根據模擬時間來選取適當?shù)挠嬎氵吔缰?在大多數(shù)情形下,L1=500ro,L2=2 000ro,L3=1 250ro的計算邊界值可以滿足模擬地埋管空調季的換熱要求.

    2　滲流型與導熱型地埋管傳熱特性比較

    目前,在現(xiàn)有設計方法的基礎上大多數(shù)地源熱泵設計人員只注意到了地埋管換熱量應滿足設計要求,但對于地埋管出口溫度是否滿足熱泵機組高效運行則考慮極少或者忽略,因此設計結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[7]定義的能效系數(shù)作為定量指標分析存在地下滲流時對埋管換熱特性的影響.

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

    從圖2中可以看出,無論是否有地下水流的存在,在地埋管運行初始階段,周圍土壤的熱量堆積從無到有,能效系數(shù)發(fā)生劇烈的變化,在短時間內迅速下降.當?shù)芈窆苤車寥赖臒岫逊e作用占主導地位時,能效系數(shù)均發(fā)生較小程度的變化,到一定階段時,有無滲流的情形下能效系數(shù)變化趨勢就表現(xiàn)出不一致.有滲流時,地埋管能效系數(shù)降低到一定值時就不再發(fā)生變化,換熱能力趨于恒定,這與文獻[8]中滲流工況下的無量綱溫度變化規(guī)律一致.無滲流時,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.運行時間越長,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.

              

    由此可見,若地埋管埋設在有滲流的土壤中而未考慮滲流的影響會帶來很大的誤差,致使埋管數(shù)量增加,初投資增大,影響該技術的推廣應用,因此在地埋管換熱器的設計和分析傳熱特性時應根據土壤情況區(qū)別對待.

    3　滲流機制下地埋管傳熱影響因素分析

    對于滲流型而言,最大不同之處就在于所在的土壤中存在地下水,具有熱傳導和熱對流傳熱雙重方式,既具有導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,將計算分析含地下水的土壤狀態(tài)、換熱負荷特性以及運行方式對地埋管能效特性的影響情況,可以進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構優(yōu)化以及運行模式合理化奠定理論基礎.

    3·1　土壤狀態(tài)對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).在本文不展開討論地下水流速的計算以及測量問題,只著重于土壤類型不同、地下水流速和來流溫度改變時對地埋管換熱特性所帶來的影響.

    3.1.1　土壤類型

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

              

    從圖3中可以看出,土壤類型對地埋管能效系數(shù)穩(wěn)定時刻及數(shù)值有較明顯的影響.地埋管來流進入到地埋管中與周圍土壤進行換熱初期,此時埋管周圍的土壤無大量熱量的累積,在同樣的地埋管進水溫度下,三種土壤類型的能效特性幾乎無差別.隨著流體與周圍土壤的繼續(xù)換熱,周圍土壤開始出現(xiàn)不同程度的熱堆積效應,能效系數(shù)與前期相比有不同程度的降低.隨著時間的推移,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較慢,在地埋管傳熱過程中地下水微元體與埋管周圍土壤接觸時間較長,埋設在該類型中的土壤先于砂礫型、石灰?guī)r型土壤達到穩(wěn)定狀態(tài),三者達到穩(wěn)定傳熱狀態(tài)的時間分別為270 h,410 h和450 h.在地埋管與土壤傳熱過程中,由于不同土壤類型傳遞熱量的能力、孔隙率及地下水流速不同,能效系數(shù)變化趨勢開始不一致.在運行時間為1 h的時刻,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;運行時間為100 h的時刻,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,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,有利于熱泵主機的高效運行,但趨于換熱恒定的時間越長.

    3.1.2　地下水流速

    圖4表示不同地下水來流速度條件下地埋管換熱器能效系數(shù)隨時間變化的情況,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,地埋管與周圍土壤的傳熱是以熱傳導為主,三種工況下地埋管能效系數(shù)的變化呈相同的趨勢.隨著地埋管運行時間的增加,地下水的對流換熱起主導作用,地埋管能效系數(shù)產生明顯差異.雖然埋管周圍的熱堆積作用使得三者能效系數(shù)與前一時間段相比有不同程度的降低,地下水的來流速度越大,能效系數(shù)相對就越大.當?shù)芈窆苓\行一定時間后,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)達到穩(wěn)定所需要的時間是不同的,按流速從大到小分別為450 h,380 h和350 h.可見地下水流速越大換熱能力趨向穩(wěn)定需要的時間就越長,這也是由于流速較大時,流體內各微元體與土壤導熱的時間相對要短一些所導致的.

            

    另外,流速從6.0E-06m/s變化到1.91E-06m/s時,地埋管能效系數(shù)的增加量,與流速從1.91E-06m/s變化到2.9E-07m/s相比較,已在逐步減小,這主要是因為滲流能夠減小熱堆積效應,減小地埋管流體出口溫度,但不能無限制地增強能效特性,可以預見隨著地下水流速的增加,能效系數(shù)應該有一個極值.

    3.1.3　地下水來流溫度

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

           

    從圖5中可以看出,三種工況在同一時刻的能效系數(shù)值沒有不同之處.也就是說,地埋管能效系數(shù)并不取決于土壤地下水來流溫度.當然,這并不能說明地下水來流溫度對地埋管換熱器的換熱能力就沒有影響,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評價指標.當?shù)叵滤畞砹鳒囟仍叫r,如在地埋管運行到1 000 h的時刻,三種工況的地埋管能效系數(shù)均為0.183,相應的地下水來流溫度為20℃,17℃和14℃的進出口水溫度差分別為3.66℃,3.11℃和2.56℃.在一定的進水流速條件下,地下水來流溫度越低,地埋管換熱能力最強.

    3·2　地埋管換熱負荷對傳熱特性的影響

    3.2.1　地埋管進水溫度

    圖6表示不同進水溫度條件下,地埋管換熱器能效隨時間變化的情況,模擬運行工況是地埋管進水溫度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水溫度,但進水溫度越高,在沿U型地埋管行進時管內流體與周圍土壤溫差越大,在流量相同情況下,換熱能力相對越強.

    3.2.2　地埋管水流速

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

           

    從圖7可看出,在換熱運行初期,在同樣的地埋管埋設深度條件下,埋管進水速度不同的地埋管中水流與周圍土壤熱交換的時間不同,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,對應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.隨著運行時間增加,埋管周圍土壤熱堆積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)達到穩(wěn)定所需要的時間是不同的,分別為450 h,510 h和550 h,可見埋管內流速越大,換熱能力趨向穩(wěn)定需要的時間就越長,這主要是流速不同時流體內各微元體與土壤導熱的時間相對要短一些所導致的.

    3·3　地埋管運行模式對傳熱特性的影響地埋管地源熱泵系統(tǒng)連續(xù)運行時,地下水的流動能夠及時地帶走埋管周圍多余的熱量,有效削弱埋管周圍土壤的熱堆積作用,最終保證地埋管能效系數(shù)持續(xù)穩(wěn)定.如果此時地埋管流體出口溫度可能已超出熱泵機組高效范圍,地埋管連續(xù)運行的時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,可采用復合式地源熱泵系統(tǒng),保證地埋管周圍土壤有一定的自然恢復期,使得地埋管流體出口溫度能夠最大限度地降低.目前,根據建筑功能和使用時間,土壤源熱泵復合式系統(tǒng)大多采用日循環(huán)控制機制,地埋管的進口水溫表現(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工況是每天運行12 h,停歇12 h,時間比為1∶1;日循環(huán)周期2工況是每天運行8 h,停歇16 h,時間比為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)在空調運行時間段范圍要高于連續(xù)運行的模式,每個循環(huán)周期內均是如此,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圍土壤的溫度能夠恢復到土壤的初始溫度,因而下一個周期為地埋管換熱再一次完全重新開始,就這樣周而復始.工況1恢復期短于工況2,達到完全回復到土壤初始能量平衡態(tài)時刻則有所推遲.在設計地埋管換熱器系統(tǒng)時,應區(qū)別對待土壤中有無滲流,采取間歇運行模式,能夠保證地埋管地源熱泵系統(tǒng)的高效運行.

    4　結　語

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

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

    2)地下水流速在一定限度下增大時,土壤中熱堆積效用降低,達到換熱穩(wěn)定狀態(tài)所需時間也縮短,有利于換熱.地下水來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.考慮到熱泵機組高效運行條件,需根據空調負荷特征優(yōu)化設計地埋管和流體循環(huán)速度.

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

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