U型埋管地热换热器地传热模型及换热性能地提高
摘要
高效利用可再生清洁地地热能、提高人居环境地舒适度并实现节能环保是本课 题研究地主要目地•传统地空调系统受环境温度影响大、能效较低。水源热泵空调 系统存在回灌难、污染地下水等问题。土壤源热泵空调系统在供暖、制 冷、供热水等 方面具有运行稳定、效果良好等优点，在国外己广泛应用・但国内地研究与应用起 步较晚，解决地埋管换热器与土壤间地强化传热、系统初投资较高等问题是推动其 发展地关键・
b5E2RGbCAP
本文以竖直U烈埋管换热器为研究对象，采用数值模拟方法对影响地埋管换热 效率地各种因素进行研究，结果表明，井深、流体速度、回填材料导热系数及 支管 中心距对换热地影响较为明显，当井深小于150ni时，增加井深使换热器地总 换热量 增大，但当井深大于250m时，由于支管间热短路现象加剧，随着井深地增 加总换热 量趋于平缓，且钻井费用提高，因此最佳井深范围可取150m-250m提高u型管内流 体地流速，使总换热量与u型埋管换热器效率增加，当流速超过0. 8m/s时两者地 增加速率都已很低，而同时u型管进出口压降却迅速增大，因此，推荐u型管内 经济流速范围为0・4m/s-0・8m/s
・ plEanqFDPw
关键词地源热泵；换热器；传热模型；换热器效率
引言
随着传统不可再生能源地不断消耗，能源紧缺地问题日益严重，具有节能特点地 地源热泵（ground source heat pump＞系统越来越受到人们地关注・地源热泵系 统是一种利用地下浅层地温地热资源〈常温土壤或地下水）地既可供热又可制冷地高 效节能热泵系统・它卞要包括三个部分：从土壤、地下水或地表水吸热/放热地装 置；热泵机组；送风系统・DXDiTa9E3d根据地源热泵祸合换热系统地换热方式,可以 把地源热泵系统分为闭式循
环
系统和开式循环系统・本文研究地是闭式循环垂直式热泵系统・设置地热换热器是 闭环地源热泵（或称地下偶合热泵）空调系统地最大特点・这种地热换热器中地传 热是管内流体与周围岩土之间 地换热，与两种流体之间换热地常规换热器 有很大地 不同•通常地热换热器有水平和竖直两种布置方式・竖直布置地地热换 热器通常都 是在钻孔内布置
U型地塑料管，再加上回填材料，与周围岩土构成一个整体•由 于竖直埋管地热换热器具
有占地少、工作性能稳定等优点，己成为工 程应用中地主导 形式•对其传热模型地研究也就成为开发地源热泵空调系统首要 地课题・地源热泵 空调系统地主要缺点是其地热换热器地初投资较高，这也是阻 碍地源热泵空调系统发 展地主要原因之一・因此对地热换热器地结构进行优化设 计，并提供可靠地设计计算 模型是降低地热换热器造价地重要途径
源热泵地关键技术之一 [1]・RTCrpUDGiT
对地源热泵U型管地下换热器地研究，在工程上国内外主要使用线热源模型和 柱热源模型[2-3],虽然模型考虑了 U型管地具体形状以及其他影响因素，但由于使 用地都是一维模型，只研究某水平平面，不能全面反映整个换热区域地换热情况 [4-5].乃仁等通过解读地方法得出了一维和准二维地模型[6]・・但其一维 和二维 模型主要是建立在回填土区域，由于U型管地下换热器传热地不均匀性，回填土最 外层地壁温显然不是均匀地•而且在非稳态过程中，回填土最外层壁温很难确定. 为了研究整个换热区域地情况，本文使用CFD数值仿真软件对地下U型管换热器进行 了模拟，进而研究了 U型管换热器主要参数对U型管换热器换热 效率地影响・ 5PCzVD7HxA
，也是推广地
1.数学模型 1. 1假设条件
由于U型竖直埋管地下换热器地几何形状和土壤传热地复杂性，为了减少网格 数 量和降低计算地难度，所以要进行必要地简化・同时，为了保持所得结果地精度 符 合工程要求,作如卜假设：jLBHrnAILg
<1）土壤是均匀地，而目在整个传热过程中土壤地热物性不变・由于地下换热
器引起地土壤温度变化比较小,因此可以这样假设・XHAQX74J0X
<2 ）忽略土壤中水分迁移地影响・
（3>忽略U型管管壁与回填材料、回填材料与土壤之间地接触热阻・
（4>忽略地表温度波动以及埋管深度对土壤温度地影响 ，认为土壤温度均匀
一致，初始阶段为当地地年平均气温.LDAYtRyKfE
(5＞认为U型管底部弯管是绝热地，而流体地速度分布和方向改变. (6＞钻孔间距足够大，忽略孔与孔之间地传热影响.
1. 2 一维导热模型
工程上对单U型埋管与地层地传热问题，通常分为两部分来处理•一是钻孔内部 地传热，二是由钻孔壁面至外部地层之间地换热•与钻孔壁以外部分地传热 过程相 比，由于钻孔内部(包括回灌材料、管壁及传热介质
〉地几何尺寸和热容量
都相对要小得多，而且其温度变化都较为缓慢，因此叮将钻孔内部地传热过程当作稳 态地传热过程来处理•除了对于讨论地时间尺度小于数小时地动态问题外 这样地简化已被证明是合理地和方便地
•另一方面，由于钻孔地深度远大于其直
，
径，因此，岩土和钻孔地回灌材料中地轴向导热，与横截面内地导热相比叮以忽略 不 计•由于U型管地结构特点，钻孔横截面上地导热明显是二维地，求解较为困难.因 此，工程上采用地最简单地模型是把钻孔中
U型管地两个支管简化为一个当量
地单管[8],由此回避了 U型埋管两支管与钻孔因不同轴而带来地复杂问题，并进 而 把钻孔内部地导热简化为一维导热•显然，这样地模型缺乏理论依据，过于粗糙，当然 无法讨论U型管两支管地位置及其相互间地传热对整个换热过程地影响•简化地一维 模型不能反映管间距和孔外地层地导热系数对孔内热阻地影响.Zzz6ZB2Ltk
1. 3二维导热模型
在忽略轴向导热地条件下，如果U型管地两根支管单位长度地热流分别为
qi
和昭根据线性迭加原理，所讨论地稳态温度场应该是这两个热流作用产生地过余温 度场地叠加•这就是钻孔横截面上地二维稳态导热模型[7]・dvzfvkwMIl
二维模型地引入，对于钻孔横截面上地导热热阻，包括支管与孔壁间地热阻和两 支管间地热阻，给出了定量地解读式，进而町以分析讨论U型管在钻孔中地 几何配置对导热地影响•因此，二维模型明显优于一维模型•但是在此二维模型中也没 有考虑两支管内流体温度沿深度方向地变化
・rqynl4ZNXI
1. 4准三维导热模型
一、二维模型都因为没考虑流体温度沿程地变化，因此不能确定各个横截面上 地传热量；而且忽略了 u型管由于两支管中流体温度地不同而引起地热流
“短路”现象•因此，在二维模型地基础上，流体温度在深度方向地变化必须予以考 虑•考虑管内流体温度沿着深度方向上地变化，为保持模型地简明，钻孔内固体 部分 地轴向导热仍忽略不计•这可称为准三维模型[8]. EmxvxOtOco
2.各种因素对换热性能地影响
2. 1管腿中心距和竖井直径地影响
将U形管地管腿中心距分别设为100mm, 80mm, 60mm其他条件与上述模型一 样，计算所得每M深井地平均热流量为28. 82w/m, 27. 43w/m, 25. 13w/m.由此 可见， 中心距越小时，热流量越小，这是因为，管腿中心距越小，管腿之间相互影响 越大. 在热阻一定地情况下，埋管周围温度越高，热流量越大，两管腿之间影响越小，相 反，埋管周围温度越低，热流量就越小，两管腿之间影响就越大・U型管周围 部分，温 度依次降低，也正说明了热流量随管腿中心距地减小而减少•而且管腿中心距由84mm 到60mm热流量下降地程度是1 OOmrSJ 80mnd地1. 65倍，这也正说 明：管腿中心距 越小，热流量减少地程度越大，反过来说，中心距越大，热流量增大 地程度越 小.SixE2yXPq5
流动压力损失分别为29. 98kpa. 3d. 35kpa. 30. 78kpa,由此可见，中心距小 时, 水流经过U形弯管时，局部压力损失较大，所以总体压力损失稍大•但是GewMyirQFL 管腿中心距
为60mm时,压力损失仅比管腿中心距为100mm时大2. 7%,因此管腿 中心距 对压力损失影响很小，可以忽略不计.kavU42VRUs
因此，在竖并允许地范围内，为了保证较大地热流量和较小地压力损失，尽 量 保持较大地管腿中心距，但是由于管腿中心距越大，增加地热流量就越少，因 此，没 有必要为保持较大管腿中心距，而增加竖井直径，这样会得不偿失.
将竖井地直径分别设为200mm. 250mm・300mn其他条件与上述模型相 似,得到地 单位深井热流量分别为28. 82w/m. 29. 7w/m, 30. 35w/m,这是因为回填物地热阻小于 周围土壤，竖井直径加大相当于传热热阻减小，所以热流量较大・但是由计算结果
可知，直径为300mn竖井地热流量仅比200mm竖井地热流量大5%,可见竖井直径对热流 量地影响并不很大•
综上所述，工程上应使用适宜打井地经济合理地竖直直径，而不要为增大有 限地热流量而使用大地竖直直径，因为这样做会增大工程造价，而其优化传热效果 并不明显・
2. 2回填材料热导率对换热效率地影响
当考虑地源热泵地性能时，回填材料是非常重要地，材料要有一个较大地导 热率以增加土壤地传热量，但这个导热率如果太大地话，系统反而可能产生热短路 现象（热短路现象是指:U型管两管脚之间存在温差，温差最大处位于U型管进 出口处，越往下，温羌呈递减趋势，曲于U型管进出口处温差大，加之两管间距离较 小，在这里可能发生较强地热量传递，从而使出水温度在进口段较短距离内下降 （上升＞很大，以致影响传热・y6v3ALoS
2. 3钻孔深度对换热效率地影响
除进水管进水水温取40C、支管间距取为150mm钻孔深度改变以外，主要参数同 表2.通过CFD莫拟计算，结果见图1和图2.从图1和图2可以看出，在钻 孔深度增加 时，出水口出水平均温度几乎是线性下降，但当钻孔深度超过80ni后，两支管地温升 比急剧增加，从80m地2急剧增加到100m地3,支管间地漏热加剧 从而降低了单位管 长地换热效率•因此，建议钻孔深度不要太深，对要求较低出水温度地工况可以使 用两个U
M2ub6vSTnP
型管并联工作来减少支管间地温升比，提高单位管长地换热效率・
M2ub6vSTnP
30- SO 10 90 10 31 i
H
307 305
钻孔深度/m 图1出水温度随钻孔深度地变化曲线
Fig. 5 Change of the outlet water temperature with hole depth OYujCfmUCw
and outlet temperatures
3・S -------------------------------------------------------------
0.5 •
（）l ------------------ 1 --------------------- i -------------------- •—
30 50
70
钻孔深度/m
90
110
图2两支管地温升比随钻孔深度地变化曲线
Fig.6 Change of the specific value between inlet with hole depth eutsSZQVRd
2・4不同流速对热效 率地影响
根据工程经验，管 内流速一般都小于
1. 2m/s,拟选取
1. 2m/s, 0. 9m/s, 0. 6m/s, 0. 5m/s, 0. 4m/s, 0. 3m/s, 0. 2m/s, 0. 15m/s. 流速为 1. 2m/s 时，管
内流动雷诺数为20000, 0. 12m/s时，雷诺数为2000,这样地选取覆盖了从过 渡 流到旺盛紊流地不同流态，其单位井深平均热流量变化情况如图7. sQsAEJkW5T
由图3可知,在进口水温一定时，传热量随流速增大而增加，但是变化趋势逐
渐变缓•流速在0. 12-0. 4m/s地阶段，换热量随流速地增加幅度较大
0・6m/s地阶段，换热量随流速地增长幅度较小，约为原来地一半甚至更小，流速在 0. 6m/s以上时，换热量随流速地增加改变地幅度已经很小，也就是说，每增加单位
流速得到地热流量增量随着流速地增加在减小
・ GMsIasNXkA
0Q
01 04 06 v（m/s）
04 10 u
图3不同流速下热流量地变化趋势
3.结论
（1>地源热泵u型管地下换热器地换热效率随支管间距地增大而增加，但当支管间距 增
加到一定值后支管问距地增加对u型管地下换热器换热效率地影响变弱.在使用地 回填土材料热导率变大时，支管间距地变化对U型管地下换热器换热效率影响变大， 因此建议在使用高热导率材料地同时应该适当加大 间距.TlrRGchYzg
U型管两支管地
<2 ）地源热泵U型管地下换热器地换热效率随回填土材料热导率地增加而增大•为 了
提高I；型管地下换热器效率，应该努力提高回填土层地热导率・7EqZcWLZNX
（3）在钻孔深度增加时，出水口出水温度几乎成线性下降；但是当钻孔深度超 过
80m时,两支管地温升比急剧增加，从80m地2急剧增加100m地3,支管间 地热损 失加
剧，从而降低了单位管长地换热效率•因此，在实际操作中建议钻孔深 度不要太 深，对要求较低出水温度地工况可以使用两个
U型管并联工作来减小支
管间地温升比，提高单位管长地换热效率.lzq7IGfO2E 数减小，如果流动状态由紊流流动变为层流流动，则对流换热系数变化就很显著并且 由于地下换热埋管是闭环系统，水泵扬程只需克服沿程摩擦阻力和局部阻力不考虑 提升高度，因此，流速可以适当取高一些，以保证管内流体流动处于紊流状 态，从 而增加对流换热系数•但是如果流速过高，压力损
失会很大，增大了循环水泵地扬 程,得不偿失，因此，我们应综合考虑热流量和压力地损失・zvpgeQJlhk
4. 研究方向及应用前景目前地源热泵系统地应用以每年 10%左右地速度递增，未
来对于该系统地研究将更集中于高效率和低投资方面・未 来对于地源热泵系统地研究将主要集中在以下几个领域：
4. 1地源热泵系统仿真模拟研究
通过仿真模拟技术对地源热泵系统能耗、设计、控制等方面进行分析地手段已 经成为对于研究地重要方式之一，而地下埋管换热器〈ground-loop heat exchanger ）是地源热泵系统地重要组成部分,它地换热情况是研究地重点，因此 对于地源热泵系统地仿真模拟，主要研究方向集中于地下埋管换热器模型地建立和 优化.4. 2地源热泵系统控制
策略研究
对地源热泵系统而言，如何能够更有效地进行长期稳定地制冷或供热是评判该 系统优劣地标准•建筑物冷热负荷和地下埋管换热器向土壤地排吸热量不均、地下 埋管换热器地换热量受地下水渗流影响等问题，同时空调系统中多种冷热源 地综合 利用已越来越普遍，因此对于地下埋管换热器系统控制策略研究显得尤为 重 要.4. 3地下埋管换热
器填料优化研究
对于地下埋管换热器孔洞中填料地优化研究有利于提高地下埋管换热器和土 壤之间地换热量，提高系统地效率・4. 4 土壤导热率测试技术研究
地下埋管换热器地传热过程较为复杂，涉及地因素较多，因此建立和完善地 下 传热模型，使其具有更好地适应性和计算精度，为地下埋管换热器地设计和土壤热 物性地测定提供理论基础必将成为研究工作地重点・同时，在系统地施工中，如何能 够快速有效地通过测试和仿真，从而得到土壤物性参数，是目前实际工程中所关心主 要技术问题之一 .4.5多种影响因素地考虑和螺旋埋管等不常见换热器地 研究
现有地下埋管换热器模型以垂直地下埋管换热器地仿真模型居多，而对于水平埋 管、倾斜埋管以及螺旋埋管地建模研究相对而言有所欠缺
•随着计算机仿真
技术地不断发展，考虑到管群地影响、土壤冻融地影响、地下水渗流等相关因素 地影 响，必然需要对地下埋管换器仿真模型加大研究地投入・NrpoJacSvl参考文献
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