地源熱泵垂直U型管群換熱特性及布置優化研究

【基礎理論與應用研究】

地源熱泵垂直U型管群換熱特性及布置優化研究

蒙穎1,張永浩2

(1.后勤工程學院研究生二隊,重慶401331; 2. 96656部隊,北京102208)

摘要：在采用熱電阻對U型埋管管井進行溫度監測的基礎上，對U型管群所作用內部和周邊管井周圍土壤的二維溫度場和三維溫度場進行了數值模擬。在管群既有取熱又有排熱的雙季運行工況下，著重考慮地下水滲流對U型管群換熱的影響，分析管井監測面的溫升以及內部管井、周邊管井的換熱效率和溫度變化率，并基于地下水滲流，對管群布置進行了優化。

關鍵詞：垂直U型管群;溫度場;數值模擬;滲流;管群優化

收稿日期：2015-02-05

作者簡介：蒙穎(1988—)，女，碩士研究生，主要從事營房勤務研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.036

中圖分類號：TK52

文章編號：1006-0707(2015)06-0141-05

本文引用格式：蒙穎,張永浩.地源熱泵垂直U型管群換熱特性及布置優化研究[J].四川兵工學報，2015(6):141-145.

Citationformat:MENGYing,ZHANGYong-hao.ResearchonHeatTransferCharacteristicsandOptimalDesignAboutGSHP’sVerticalU-ShapedNestofTubes[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(6):141-145.

ResearchonHeatTransferCharacteristicsandOptimalDesign

AboutGSHP’sVerticalU-ShapedNestofTubes

MENGYing1, ZHANG Yong-hao2

(1.TheSecondTeamofGraduatedStudent,LogisticalEngineeringUniversity,

Chongqing401331,China; 2.TheNo. 96656thtroopofPLA,Beijing102208,China)

Abstract:The two-dimentional temperature field and three-dimentional temperature field of interior parts and soil around tube well affected by U-shaped nest of tubes were described through a numerical simulation method, based on the temperature detection of U-shaped tubes well with thermal resistance. Considering the fact that the nest of tubes has two different operation conditions, viz heat absorption process and heat release process at the same time, the influence of groundwater seepage on heat exchange of U-shaped tubes was especially researched. Meanwhile, the temperature rise of tube well’s monitoring surface was analyzed. Then, the heat exchange efficiency and temperature gradient of other places including inner of tube well and perimeter tube well were also investigated. Finally, the optimal design for layout of tubes was proposed according to the research results.

Keywords:verticalU-shapednestoftubes;temperaturefield;numericalsimulation;seepage;optimalnestoftubes

在地源熱泵系統中，一般地下換熱器是幾十組甚至上百組垂直埋管管群換熱器[1]，為保證地下埋管的正常換熱效果和長期使用，應設計出合理的埋管數量、管井間距、管井深度[2-8]，管群的設置都是以管群周圍土壤溫度場分布為基礎[9]。本研究采用數值模擬軟件，以蘇南地區實際應用的地源熱泵U型垂直埋管系統為算例，對U型換熱器管群換熱特性進行研究，主要采用短期實測與模擬系統長期運行相結合的方式進行研究。并基于地下水流動，調用優化程序對管群布置進行優化。

1模型

1.1溫度監測點的布置

溫度信號的測量一般采用熱電偶和熱電阻，熱電偶的優勢在于熱慣性小，反應快，可以對溫度的變化做出快速反應。熱電阻的優點是穩定性高，所測量的數據準確、穩定，比較適合溫度波動較慢的測點。對于本研究來說，由于測點布置的深度很大，信號需要傳輸的距離較遠，干擾較大，而熱電阻的抗干擾能力較強，因此選擇熱電阻作為溫度測量的工具。在測溫井的不同深度處布置了鉑電阻溫度傳感器，在3m、20m、40m、60m、80m深處分別預埋鉑電阻1個，總計5個鉑電阻。溫度監測點詳細布置位置見圖1所示。

圖1　溫度監測點示意圖

在預埋鉑電阻的過程中，由于預埋深度很大，要把鉑電阻布置到土壤中比較困難，采用PE管作為輔助工具。將數根485屏蔽線穿過PE管，在PE管的不同長度處(分別在PE管的3m、20m、40m、60m、80m處)甩出線頭，然后與鉑電阻焊接。在焊接的過程中，應注意盡量不要剪掉鉑電阻的引線(鉑電阻經過標定，剪掉引線將會影響其精度)，鉑電阻與485屏蔽線采用點焊焊接，然后將鉑電阻綁在PE管的管壁外。PE管各個甩出線頭與鉑電阻連接的三通在綁好鉑電阻后，應注意用堵頭將三通封死，以免PE管進水，腐蝕屏蔽線，影響土壤溫度的采集。

1.2土壤溫度的測量

溫度測量時采用的鉑電阻溫度傳感器電阻為1 000Ω，測量范圍為0～105℃，測量精度為0.01℃，所有的鉑電阻均已經過標定。對于本研究中采用的鉑電阻，在100℃范圍，溫度隨電阻變化大致為4Ω∕℃。具體的轉換公式如下[10]：

R(t)=R0(1+At+Bt2)

(1)

式中:R(t)為溫度為t ℃時的電阻值(Ω)； R0為溫度為0℃時的電阻值(Ω)； t為溫度(℃)；A,B為相關系數，與鉑電阻本身相關(℃-1，℃-2)。

系統長期運行時各個溫度監測點處土壤溫度的變化如圖2所示。

圖2　 U型管不同埋深處土壤溫度的變化

由圖2可以看出，在埋深3m處，由于土壤受地表空氣溫度變化的影響較大，因而其溫度變化較為明顯。在埋深80m處，土壤受恒溫層的影響較大，因而其溫度變化幅度相對較小。而在埋深20m、40m和60m處，土壤溫度受地表空氣溫度和土壤恒溫層的影響相對較小，其變化隨地源熱泵運行過程中的排熱和吸熱過程而發生變化。

1.3管群布置及網格劃分

管群的換熱效果及周圍土壤溫度場與鉆孔的排列形式有關，而鉆孔的排列形式在工程實踐中要受到用地的面積和形狀的約束，本研究以蘇南地區某地源熱泵工程為算例，采用方陣形式的管群布置。U型垂直埋管換熱器共16組，每組埋深90m，分4排埋設，水平間距和縱深間距各為6.5m，管群布置平面分布如圖3所示。

圖3　管群布置示意平面圖

用GAMBIT以繪圖方式輸入模型的幾何形狀。進行網格劃分時，為保證計算精度，在溫度場隨空間變化劇烈的地方和方向上密集劃分網格，而在溫度場變化緩慢的地方和方向上疏松劃分網格，以減少網格總數減輕計算量。本研究中的網格劃分方式采用分區映射成結構化網格。內部和周邊管井的二維計算模型及網格劃分如圖4(a)和4(b)所示。

圖5為16組U型管群三維計算模型網格劃分圖，網格數為51 720。

2求解條件設定

在DefineBoundaryConditions中設置邊界條件時，給定U型管進口的流速和溫度。數學模型的頂面在地面下2m處，地下2～5m溫度雖有波動，但這段距離占豎直井深的比例很小，由此將數學模型X，Z方向上距U形管最遠邊界處和Y方向的頂部設定為土壤遠邊界常溫條件。

圖4　內部和周邊管井的二維計算模型

圖5　三維計算模型

在此系統中，過渡季節采用全新風，地源熱泵僅在冬、夏季啟用，全年間歇運行。在地面至地下5m深處，考慮地表水對土壤溫度場的影響，此深度范圍取土壤導熱系數為1.50W/(m·K)；在64m至66.5m處有一個水層，此時取土壤綜合導熱系數為2.36W/(m·K)，計算土壤深度取90m,管徑為0.032m,管群管井間距6.5m,管井直徑為0.15m。

系統在冬季運行時，供暖負荷為47kW，供暖天數130天，垂直雙U型埋管進口水溫為4℃，出口水溫取6.5℃，管內水流速為0.5m/s，日運行時間為8h；系統在夏季運行時，冷負荷為57.6kW，供冷天數為120天，埋管進口溫度為33℃，出口溫度為29℃，管井平均計算壁面溫度為31℃，水流速和日運行時間與冬季時相同。

3管群內部與周邊管井周圍土壤溫度場數值模擬

3.1二維溫度場

圖6為系統雙季運行工況下運行1年后管群內部管井與周邊管井周圍土壤的溫度分布圖。

由圖6可以看出,隨著運行時間的增加，內部管井和周邊管井的土壤溫度都在上升，內部管井周圍土壤溫度上升0.4℃，周邊管井周圍土壤溫度上升0.24℃。對同一運行年度，內部管井周圍土壤的溫度變化率要比外部管井周圍土壤的溫度變化率大。

圖6　雙季工況下運行1年后土壤的溫度分布

圖7為監測面土壤的溫升比較。可以看出，在相同條件下，由于周邊管井周圍的熱量可以向管群周圍的土壤進行擴散，因而使管井附近土壤的溫升相應減弱。在冬季運行130天的條件下，系統壽命期內內部管井監測面土壤的總溫升為7.95℃，而周邊管井監測面土壤的總溫升僅為4.70℃。因此，在相同條件下，周邊管井的換熱效率要明顯高于內部管井。

圖7　管群內部管井與周邊管井周圍土壤的溫升比較

3.2三維溫度場

圖8顯示了管井水平間距為6.5m、雙季運行工況下內部管群周圍土壤的三維溫度場的變化，圖9則顯示了相同管井間距、運行工況條件下周邊管群周圍土壤的三維溫度場的變化。

圖8　內部管群周圍土壤的溫度場變化

由圖8、圖9可看出,在夏季運行120天、冬季運行130天的工況下，隨著運行年度的增加，內部管井和周邊管井的土壤溫度都在上升，對同一運行年度，內部管井周圍土壤的溫度變化率要比外部管井周圍土壤的溫度變化率大。在相同條件下，由于外部管井周圍的熱量可以向管群周圍的土壤進行擴散，因而使管井附近土壤的溫升相應減弱。

圖9　周邊管群周圍土壤的溫度場變化

4基于地下水滲流的管群布置優化分析

地埋管換熱器在使用時往往需要占用大量的管群換熱面積，隨著城市用地的緊張，對于一定的布管面積，如何優化布置能夠最大化發揮地埋管的換熱能力并節約用地具有一定意義。以鉆孔數n，橫向布置間距xc=xj+1-xj，縱向間距yc=yj+1-yj(圖3所示)為需優化控制對象，調用優化程序優化，得到優化表達式為

(2)

其中：N1為鉆孔允許的最小數目(個)；N2為鉆孔允許的最大數目(個)；S為管群允許的使用面積(m2)。

以管群允許面積為16m×16m為例，如圖10所示(考慮遠邊界條件，數值計算面積為25m×25m)，對于總建筑負荷為57.6kW，埋管深度為90m，管群的進水溫度為33℃，運行時間為夏季使用期3個月。

表1　埋管基本幾何熱物性參數

參考表1、表2中相關數據，采用式(2)進行優化，并考慮過多的鉆孔會導致鉆孔費用過大，得到了優化后的18孔布置(圖10(a))，將其與傳統的16孔正方形布置(圖10(b))進行比較分析。

表2　均勻介質相關參數

圖10　管群優化前后布置對比圖

圖11給出了18孔優化布置與16孔未優化布置的管群平均出口流體溫度隨滲流速度變化的關系，從圖11可以看出優化后的18孔布置的整場作用平均出水溫度比未優化的16孔低0.4～0.8℃，根據式(2)，可知其COP值將增大7%～10%(以u=4e-7m/s為例)。

圖11　布置前后出水平均溫度隨滲流速度變化

圖12給出了16孔和18孔在u=2e-7m/s時管群土壤溫度場分布圖。從圖12可以看出未優化的整場溫度比優化的整場溫度約高1.1℃，且未優化的16孔布置后排熱量堆積嚴重，8#鉆孔壁溫度比5#高出了2.4℃，而優化后的18孔布置8#鉆孔壁溫比6#僅高出了1.75℃，土壤溫度場的熱堆積影響有一定減弱。從以上分析可知，對于16m×16m的管群設計面積，在滿足一定幾何參數、熱物性參數設計要求時，進行優化后其面積利用率可以提高12.5%，承擔相同的負荷其系統的COP值可以提高7%～10%。

圖12　優化前后溫度場分布

5結論

1) 在管井間距為6.5m、系統雙季運行的條件下，對同一運行年度，內部管井周圍土壤溫升為0.4℃，周邊管井周圍土壤溫升為0.24℃。

2) 在相同條件下，周邊管井的換熱效率要明顯高于內部管井。模擬冬季運行130天的條件下，系統壽命期內內部管井監測面土壤的總溫升為7.95℃，而周邊管井監測面土壤的總溫升僅為4.70℃。

3) 在相同條件下，隨著運行年度的增加，內部管井和周邊管井的土壤溫度都在上升，對同一運行年度，內部管井周圍土壤的溫度變化率要比周邊管井周圍土壤的溫度變化率大。

4) 模擬結果表明，在相同管井間距、不同的運行年限條件下，對管群中的內部管井和周邊管井周圍的土壤溫度變化進行計算，周邊管井的換熱效率要明顯高于內部管井。

5) 優化結果表明，對于16m×16m的管群設計面積，在滿足一定幾何參數、熱物性參數設計要求時，進行優化后其面積利用率可以提高12.5%，承擔相同的負荷其系統的COP值可以提高7%～10%。

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(責任編輯蒲東)