U型埋管地热换热器的传热模型及换热性能的提高

U型埋管地热换热器的传热模型及换热性能的提高摘要高效利用可再生清洁的地热能、提高人居环境的舒适度并实现节能环保是本课题研究的主要目的。传统的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。但国内的研究与应用起步较晚，解决地埋管换热器与土壤间的强化传热、系统初投资较高等问题是推动其发展的关键。本文以竖直U型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的各种因素进行研究，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的影响较为明显，当井深小于150m时，增加井深使换热器的总换热量增大，但当井深大于250m时，由于支管间热短路现象加剧，随着井深的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型管内流体的流速，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时两者的增加速率都已很低，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。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的不断消耗，能源紧缺的问题日益严重，具有节能特点的地源热泵(groundsourceheatpump)系统越来越受到人们的关注。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）的既可供热又可制冷的高效节能热泵系统。它卞要包括三个部分:从土壤、地下水或地表水吸热/放热的装置；热泵机组；送风系统。根据地源热泵祸合换热系统的换热方式，可以把地源热泵系统分为闭式循环系统和开式循环系统。本文研究的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）空调系统的最大特点.这种地热换热器中的传热是管内流体与周围岩土之间的换热，与两种流体之间换热的常规换热器有很大的不同。通常地热换热器有水平和竖直两种布置方式。竖直布置的地热换热器通常都是在钻孔内布置U型的塑料管，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，己成为工程应用中的主导形式。对其传热模型的研究也就成为开发地源热泵空调系统首要的课题。地源热泵空调系统的主要缺点是其地热换热器的初投资较高，这也是阻碍地源热泵空调系统发展的主要原因之一。因此对地热换热器的结构进行优化设计，并提供可靠的设计计算模型是降低地热换热器造价的重要途径，也是推广地源热泵的关键技术之一[1]。对地源热泵U型管地下换热器的研究，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型管的具体形状以及其他影响因素，但由于使用的都是一维模型，只研究某水平平面，不能全面反映整个换热区域的换热情况[4-5]。刁乃仁等通过解析的方法得出了一维和准二维的模型[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的不均匀性，回填土最外层的壁温显然不是均匀的。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的情况，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的影响。1.数学模型1.1假设条件由于U型竖直埋管地下换热器的几何形状和土壤传热的复杂性，为了减少网格数量和降低计算的难度，所以要进行必要的简化。同时，为了保持所得结果的精度符合工程要求，作如下假设:（1）土壤是均匀的，而目在整个传热过程中土壤的热物性不变。由于地下换热器引起的土壤温度变化比较小，因此可以这样假设。（2）忽略土壤中水分迁移的影响。(3)忽略U型管管壁与回填材料、回填材料与土壤之间的接触热阻。(4)忽略地表温度波动以及埋管深度对土壤温度的影响，认为土壤温度均匀一致，初始阶段为当地的年平均气温。(5)认为U型管底部弯管是绝热的，而流体的速度分布和方向改变。(6)钻孔间距足够大，忽略孔与孔之间的传热影响。1.2一维导热模型工程上对单U型埋管与地层的传热问题，通常分为两部分来处理。一是钻孔内部的传热，二是由钻孔壁面至外部地层之间的换热。与钻孔壁以外部分的传热过程相比，由于钻孔内部(包括回灌材料、管壁及传热介质)的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，因此可将钻孔内部的传热过程当作稳态的传热过程来处理。除了对于讨论的时间尺度小于数小时的动态问题外，这样的简化已被证明是合理的和方便的。另一方面，由于钻孔的深度远大于其直径，因此，岩土和钻孔的回灌材料中的轴向导热，与横截面内的导热相比可以忽略不计。由于U型管的结构特点，钻孔横截面上的导热明显是二维的，求解较为困难。因此，工程上采用的最简单的模型是把钻孔中U型管的两个支管简化为一个当量的单管[8]，由此回避了U型埋管两支管与钻孔因不同轴而带来的复杂问题，并进而把钻孔内部的导热简化为一维导热。显然，这样的模型缺乏理论依据，过于粗糙，当然无法讨论U型管两支管的位置及其相互间的传热对整个换热过程的影响。简化的一维模型不能反映管间距和孔外地层的导热系数对孔内热阻的影响。1.3二维导热模型在忽略轴向导热的条件下，如果U型管的两根支管单位长度的热流分别为q1和q2，根据线性迭加原理，所讨论的稳态温度场应该是这两个热流作用产生的过余温度场的叠加。这就是钻孔横截面上的二维稳态导热模型[7]。二维模型的引入，对于钻孔横截面上的导热热阻，包括支管与孔壁间的热阻和两支管间的热阻，给出了定量的解析式，进而可以分析讨论U型管在钻孔中的几何配置对导热的影响。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的变化。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的变化，因此不能确定各个横截面上的传热量；而且忽略了U型管由于两支管中流体温度的不同而引起的热流“短路”现象。因此，在二维模型的基础上，流体温度在深度方向的变化必须予以考虑。考虑管内流体温度沿着深度方向上的变化，为保持模型的简明，钻孔内固体部分的轴向导热仍忽略不计。这可称为准三维模型[8]。2.各种因素对换热性能的影响2.1管腿中心距和竖井直径的影响将U形管的管腿中心距分别设为lO0mm,80mm,60mm，其他条件与上述模型一样，计算所得每米深井的平均热流量为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。在热阻一定的情况下，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的减小而减少。而且管腿中心距由84mm到60mm热流量下降的程度是1OOmm到80mm的1.65倍，这也正说明:管腿中心距越小，热流量减少的程度越大，反过来说，中心距越大，热流量增大的程度越小。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.因此，在竖并允许的范围内，为了保证较大的热流量和较小的压力损失，尽量保持较大的管腿中心距，但是由于管腿中心距越大，增加的热流量就越少，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。将竖井的直径分别设为200mm.250mm.300mm，其他条件与上述模型相似，得到的单位深井热流量分别为28.82w/m.29.7w/m,30.35w/m，这是因为回填物的热阻小于周围土壤，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300mm竖井的热流量仅比200mm竖井的热流量大5%，可见竖井直径对热流量的影响并不很大。综上所述，工程上应使用适宜打井的经济合理的竖直直径，而不要为增大有限的热流量而使用大的竖直直径，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的影响当考虑地源热泵的性能时，回填材料是非常重要的，材料要有一个较大的导热率以增加土壤的传热量，但这个导热率如果太大的话，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，温差呈递减趋势，由于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的热量传递，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。2.3钻孔深度对换热效率的影响除进水管进水水温取40℃、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模拟计算，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80m后，两支管的温升比急剧增加，从80m的2急剧增加到100m的3，支管间的漏热加剧，从而降低了单位管长的换热效率。因此，建议钻孔深度不要太深，对要求较低出水温度的工况可以使用两个U型管并联工作来减少支管间的温升比，提高单位管长的换热效率。图1出水温度随钻孔深度的变化曲线Fig.5Changeoftheoutletwatertemperaturewithholedepth图2两支管的温升比随钻孔深度的变化曲线Fig.6Changeofthespecificvaluebetweeninletandoutlettemperatureswithholedepth2.4不同流速对热效率的影响根据工程经验，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，这样的选取覆盖了从过渡流到旺盛紊流的不同流态，其单位井深平均热流量变化情况如图7。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的阶段，换热量随流速的增加幅度较大，而0.4-0.6m/s的阶段，换热量随流速的增长幅度较小，约为原来的一半甚至更小，流速在0.6m/s以上时，换热量随流速的增加改变的幅度已经很小,也就是说，每增加单位流速得到地热流量增量随着流速的增加在减小。图3不同流速下热流量的变化趋势3.结论(1)地源热泵U型管地下换热器的换热效率随支管间距的增大而增加，但当支管间距增加到一定值后支管问距的增加对U型管地下换热器换热效率的影响变弱。在使用的回填土材料热导率变大时，支管间距的变化对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的同时应该适当加大U型管两支管的间距。（2）地源热泵U型管地下换热器的换热效率随回填土材料热导率的增加而增大。为了提高U型管地下换热器效率，应该努力提高回填土层的热导率。（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，两支管的温升比急剧增加，从80m的2急剧增加100m的3，支管间的热损失加剧，从而降低了单位管长的换热效率。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的工况可以使用两个U型管并联工作来减小支管间的温升比，提高单位管长的换热效率。（4）管内流速影响管内对流换热热阻以及水泵扬程。流速减小，对流换热系数减小，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，增大了循环水泵的扬程，得不偿失，因此，我们应综合考虑热流量和压力的损失。4.研究方向及应用前景目前地源热泵系统的应用以每年10%左右的速度递增，未来对于该系统