田偉龍 張朋勇

摘要：本文通過(guò)創(chuàng)建地源熱泵多U型地埋管換熱器模型，利用CFD軟件對(duì)地埋管換熱器在埋管深度、入口流速、入口溫度不同時(shí)的換熱情況進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明在不同工況對(duì)的地埋管換熱器的熱短路情況有所不同，在進(jìn)行地埋管換熱器設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各種因素保證換熱器有更好的換熱效果。

關(guān)鍵詞：地源熱泵;地埋管換熱器;數(shù)值模擬;熱短路

目前人們對(duì)于豎直地埋管換熱器的結(jié)構(gòu)研究仍主要集中在單井埋設(shè)單U型和雙U型管的地埋管換熱器，對(duì)其它結(jié)構(gòu)形式很少涉及。然而以上兩種換熱器單井換熱量有限，而國(guó)內(nèi)人口密度和建筑密度較大，已經(jīng)迫切需要充分發(fā)揮地源熱泵地埋管換熱器的換熱能力，提高單井換熱量，來(lái)減小換熱器的布置空間。為此，本文提出了單井埋設(shè)多組U型管的設(shè)想，并對(duì)多U型地埋管換熱器的熱短路現(xiàn)象進(jìn)行了理論研究[3]，以供參考提出有效方案措施提高地埋管換熱器的換熱效率。

一、計(jì)算模型

（一）模型參數(shù)

在地源熱泵地埋管換熱器工程中，換熱器鉆井間距一般為4～6m，單井與土壤的換熱半徑為3m左右，故本文在以3m為界對(duì)換熱器進(jìn)行模擬建模，忽略鉆井間的熱干擾;工程中常用換熱器鉆井深度為40～200m，直徑為100～200mm [1]。故本文采用對(duì)鉆井深度為120m，直徑為200mm的換熱器進(jìn)行建模分析[2]。

（二）求解條件設(shè)定

本文采用在冬季工況下，多U型地埋管換熱器在運(yùn)行到穩(wěn)態(tài)時(shí)的換熱情況進(jìn)行分析。模擬設(shè)置中選擇Pressure Based求解器、隱式求解，紊流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模式[4]。地源熱泵冬季取暖工況下，設(shè)置土壤初始溫度為290K，表1為模型所涉及各類材料的物性參數(shù)，并假定各材料的物性參數(shù)在換熱器運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生變化。

二、模擬結(jié)果與分析

為了研究多U型管換熱器的熱短路現(xiàn)象，本文定義了多U型地埋管換熱器進(jìn)口支管段熱短路強(qiáng)度ηi作為研究參數(shù)對(duì)多U型地埋管換熱器受熱短路現(xiàn)象影響程度進(jìn)行了分析（其中各參數(shù)的下角標(biāo)i均為單井內(nèi)埋設(shè)的U型管組數(shù)）。

熱短路強(qiáng)度ηi為單井設(shè)置i組U型管時(shí)進(jìn)口段換熱量?jī)芍Ч荛g距無(wú)限大時(shí)與進(jìn)口段的換熱量的之比減去出口段換熱量與兩支管間距無(wú)限大時(shí)出口段的換熱量的之比的差值。

當(dāng)熱短路現(xiàn)象加強(qiáng)時(shí)，多U型管地埋管換熱器進(jìn)出口段的之間的換熱得到加強(qiáng)，U型管換熱器的進(jìn)口段會(huì)與出口段交換更多的熱量，這導(dǎo)致U型管換熱器的進(jìn)口段換熱效率會(huì)得到加強(qiáng)，而出口段的換熱效率相對(duì)降低。從熱短路強(qiáng)度ηi的大小可判斷換熱器受熱短路現(xiàn)象的影響程度，其值越小表明換熱器受熱短路現(xiàn)象越不明顯。相反，其值越大熱短路現(xiàn)象越嚴(yán)重。

（一）井深對(duì)換熱器熱短路的影響

本文模擬分析了鉆井深度分別為60m、90m、120m、150m、180m、210m的模型在冬季制熱工況下?lián)Q熱器的熱短路強(qiáng)度。

模擬結(jié)果表明，在鉆井深度較小時(shí)換熱器的熱短路強(qiáng)度ηi也比較小，隨著鉆井深度的增大，熱短路強(qiáng)度ηi也隨之增大，熱短路現(xiàn)象得到加強(qiáng);并且在鉆井較深時(shí)，若深度繼續(xù)增加，短路強(qiáng)度ηi會(huì)有更大程度的增大，也就是鉆井較深時(shí)井深的變化對(duì)熱短路現(xiàn)象的影響更大。而單井內(nèi)埋設(shè)U型管組數(shù)越多，在隨井深變化過(guò)程中熱短路現(xiàn)象不太明顯。

（二）進(jìn)口水溫對(duì)換熱器熱短路的影響

以下為進(jìn)口水溫分別為276K、278K、280K、282K、284K、286K時(shí)，其它邊界條件和參數(shù)不變的工況下，多U型地埋管換熱器的熱短路情況。

模擬結(jié)果表明，換熱器的熱短路強(qiáng)度ηi隨進(jìn)口水溫升高的的變化也非常小，雖然略有升高但幾乎可以忽略。因此，可以忽略進(jìn)口水溫的改變對(duì)多U型地埋管換熱器熱短路現(xiàn)象造成的影響。

（三）進(jìn)口水溫對(duì)換熱器熱短路的影響

為研究循環(huán)水進(jìn)口流速對(duì)多U型地埋管換熱器熱短路現(xiàn)象的影響，對(duì)進(jìn)口流速為0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1m/s、1.2m/s時(shí)的換熱器模型進(jìn)行了模擬分析。

模擬分析結(jié)果表明，在流速較低時(shí)多U型管換熱器的熱短路強(qiáng)度ηi很高，隨著流速的增加，熱短路強(qiáng)度ηi開(kāi)始很迅速下降，然后下降幅度漸漸放緩，最后基本保持穩(wěn)定，而且在單井內(nèi)埋設(shè)U型管越多熱短路強(qiáng)度ηi越小。

雖然較大的流速既可以提高多U型管換熱器的單井換熱量，又能減弱U型管支管間的熱短路現(xiàn)象，但一味的增大流速會(huì)使循環(huán)水在U型管內(nèi)的壓力損失越來(lái)越大，最終需要的水泵楊程會(huì)很大，這是實(shí)際工程所不想看到的，因此進(jìn)口流速不宜過(guò)大。

三、結(jié)論

本文對(duì)單井埋設(shè)多U型地埋管換熱器支管間熱短路現(xiàn)象受各因素的影響情況進(jìn)行了研究分析。通過(guò)比較多U型地埋管換熱器進(jìn)出口段的熱短路強(qiáng)度ηi在各因素下變化的原理，得出以下結(jié)論：

（一）在相同運(yùn)行工況且其它參數(shù)相同的情況下，單井內(nèi)U型管組數(shù)的改變會(huì)使單井換熱量發(fā)生改變，但由于單井內(nèi)U型管組數(shù)的增加，導(dǎo)致了進(jìn)出口溫差的減小，且溫差變化隨各因素變化的程度也越小，這就導(dǎo)致了工況相同、參數(shù)相同時(shí)，單井內(nèi)埋設(shè)U型管組數(shù)越多，支管間的熱短路現(xiàn)象隨各因素的影響越不明顯。但當(dāng)進(jìn)出口溫差相同時(shí)，單井內(nèi)埋設(shè)U型管組數(shù)越多，各支管間的熱短路現(xiàn)象則越明顯;

（二）鉆井深度的增加雖然可以提高多U型地埋管換熱器的單井換熱量，但也同時(shí)會(huì)加劇各支管間的熱短路，因此，鉆井深度不宜太深。但由于單井內(nèi)U型管組數(shù)越多，熱短路越弱，若考慮采用單井內(nèi)埋設(shè)多組U型管，則可視情況適度增加鉆井深度;

（三）多U型地埋管換熱器支管間的熱短路受進(jìn)口水溫的改變的影響不大，幾乎可以忽略。

（四）但進(jìn)口流速對(duì)其影響卻很明顯。進(jìn)口流速越高，支管間的熱短路現(xiàn)象越不明顯。但流速增加，會(huì)造成管內(nèi)壓力損失過(guò)大，不利于工程應(yīng)用，因此進(jìn)口流速也不宜過(guò)大;

參考文獻(xiàn)：

[1] 鮑宇.豎直雙U型地埋管換熱器換熱性能的數(shù)值模擬分析[D].湖北工業(yè)大學(xué).2018

[2] 李歡.地源熱泵豎直單U型地埋管傳熱模型研究[D].安徽工業(yè)大學(xué).2019

[3] 楊正武.U型地埋管換熱器熱短路特性研究[D].西南交通大學(xué).2009

[4] 韓靜洋.豎直U型地埋管換熱器在不同條件下的傳熱性能對(duì)比[D].河北科技大學(xué).2020

作者簡(jiǎn)介：田偉龍（1988—），男，漢族，河北石家莊市人，中級(jí)工程師，工程碩士，中國(guó)核電工程有限公司河北分公司，暖通設(shè)計(jì)。