多鉆孔豎直U型埋管換熱器傳熱研究

引言

    被稱為21世紀“綠色空調(diào)技術(shù)”的地源熱泵技 術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。多數(shù)研究者們對地源熱 泵的研究主要集中在單 個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其進行模擬，將單 鉆孔模擬的結(jié)果進行簡單的疊加來對多鉆孔溫度場 進行模擬，則不能真實和準確的反映整個 鉆孔區(qū)域內(nèi)土壤的溫度變化。

    以多鉆孔系統(tǒng)為研究對象，利用傳熱理論和數(shù)值方法對土壤溫度場進行模擬，模擬結(jié)果能更真實和直觀的反 映實際情況。通常系統(tǒng)施工時設(shè)置埋管的場地和鉆孔的深度都會受到限制，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。本文針對以上兩種典型的布置形式進行研究，分析系統(tǒng)運行時間及鉆孔間距和布置形式對土壤溫度場的影響。

    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 溫度波動對土壤溫度的影響，認為土壤初始溫度均 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，即不考慮管壁熱阻;④不 考慮水分遷移對熱量傳遞的影響。

    (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。同時設(shè)各U型 埋管左側(cè)為進液管，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和速度場變化劇烈的地方和方向密集劃分網(wǎng)格，而在溫度場和速度場變化緩慢的地方和方向疏松劃分網(wǎng)格。由于地下?lián)Q熱器傳熱過程中，溫 度沿徑向方向變化較大，因此在水平方向上對U型管周圍網(wǎng)格進行了局部加密。用三節(jié)點單元對U型管周圍回填土及土壤進行單元劃分，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，防凍液進出口溫度分別取 為37℃、33℃(進出口液體最大溫差大約為 5℃ ［5］ )。研究垂直深度為2m處換熱器周圍土壤溫 度場 的分布情況。模擬計算參數(shù)見表1 ［6，7］ 。 2系統(tǒng)運行時間對土壤溫度場的影響 有研究表明，系統(tǒng)運行400 h模擬運行已經(jīng)能夠 很好的反映土壤 溫度場的變化趨勢 ［4］ ，因此，這里 研究720 h內(nèi)鉆孔中心間距為4 m時土壤溫度場的變 化情況。

               

    從 圖3～圖6可以看出，系統(tǒng)運行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，說明各鉆孔相互 之 間溫度場基本未受影響，且四個換熱器溫度場分布相同。系統(tǒng)運行24 h以后，各鉆孔間開始出現(xiàn)熱干擾現(xiàn)象，隨著運行時間的增長，熱干擾現(xiàn)象越強烈。圖 7表示了系統(tǒng)不同運行時間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土壤的溫度變化 情況，表3表示了鉆孔無熱干擾時土壤的溫度變化 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圍土壤 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℃)比無熱干擾時(2.05℃)高 1.73℃(盡管最大溫差不在兩鉆孔中間位置)。

                 

    3 鉆孔布置形式對土壤溫度場的影響

    模擬系統(tǒng)運行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，同一運行時間，鉆孔 順序排列時，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，土壤溫度在X方向的溫度分布圖。

                

    首先，對于鉆孔順序排列的情形，隨著鉆孔中心間距的增大，各個點的土壤溫度逐漸減小，而且溫度曲線也趨于平緩。這說明熱泵機組運行條件相同時，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，當鉆孔間距為4 m時，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很大，四個鉆孔之間的溫度波 動較明顯，最 低溫度為16.55℃，最高達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很平緩，溫度分布 均 勻，尤其是鉆孔間的溫度波動特別小，在X方向上土壤平均溫度為17.43℃。這說明鉆孔順序布置的方式對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。以上分析說明從土壤能源利用均衡性角度來 講鉆孔交叉排列的形式優(yōu)于順序排列的形式。

    4 結(jié)論

    四個鉆孔垂直U型埋地換熱器運行720 h模擬 結(jié) 果表明:運行24 h以后，各鉆孔間開始出現(xiàn)熱干擾現(xiàn)象，隨著運行時間的增長，熱干擾現(xiàn)象越強烈。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圍土壤溫度，熱干擾主要發(fā)生在鉆孔之間，在兩鉆孔中間影響最大;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講鉆孔交叉排列的形式優(yōu)于順序排列的形式。