大慶地區土壤源熱泵垂直式U型埋管系統綜合性能分析

王西奇+張浩+張佳+王封順

摘 要：分析了大慶地區土壤情況及溫度變化規律，建立了U型垂直埋管模型。針對U型埋管進出口流量、進口溫度、垂直埋管深度及支管間距進行了實驗模擬分析。研究表明，其他變量一定情況下，隨著埋管進口流量的增大，出口溫差減小，總換熱量增大。隨著進口水溫增大，出口水溫會增加，而換熱總量降低。隨著埋管深度增加，總換熱量和出口水溫都會增大，而換熱效率降低。

關鍵詞：U型埋管；進出口流量；進口溫度；埋管深度

中圖分類號：TU832.02 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0035-02

1 概述

埋管換熱器是土壤源熱泵核心部分，依靠土壤常年的熱穩定性進行工質換熱。目前國內外學者在此方面進行了大量研究，Demir等[1]通過實驗分析了埋管在土壤中的傳熱機制，賈永英等[2]利用ANSYS和FLUNT模擬了U型埋管非穩態傳熱，紀文杰等[3]利用TRNSYS仿真軟件對埋管性能進行了分析測試。本文采用實驗模擬與實地勘測相結合的方法，通過勘測大慶地區實際情況，建立相應的U型埋管模型，以控制變量的方法進行相應的實驗研究，研究表明埋管系統換熱性能與其進口流量、進口溫度、埋管深度有著直接的關系，它們對埋管換熱效率影響甚大。

2 U型垂直埋管模型的建立

大慶處于北緯45°46'～46°55'東經124°19'～125°12'，為嚴寒地區A區。依據大慶市氣象資料及大慶土壤層導溫系數，結合大慶土質及含水量，模擬大慶土壤溫度變化情況，并設計埋管模型，如圖1所示。

3 垂直式埋管性能影響分析

3.1 埋管進口流量對換熱的影響

垂直式U型埋管與地下土質進行換熱，設置進口流量1.0m3/h、1.1m3/h、1.2m3/h、1.3m3/h、1.4m3/h、1.5m3/h，采用控制其他變量恒定方法來研究流量不同情況下，進、出口溫差變化情況，模擬結果如圖2所示。結果表明，隨流量增大進、出口溫差逐漸變小，而總換熱量逐漸變大。

3.2 進口溫度對換熱的影響

進口溫度不同對U型埋管換熱也會不同，為研究換熱影響規律，設置進口水溫依次為277k、278k、279k、280k、281k，模擬結果如圖3所示。結果表明，隨進口水溫增大換熱總量降低，而出口水溫變大。主要因為出口水溫增幅小于進口水溫增幅，導致總換熱量減少。

3.3 U型埋管深度對換熱的影響

為研究埋管深度不同下的換熱影響規律，設置埋管鉆孔深度依次為40m、50m、60m、70m、80m，模擬結果如圖4所示。結果表明，隨鉆孔深度增加，總換熱量和進、出口水溫都會增大，而隨著鉆孔深度增加換熱效率會降低，投資費用會增大。因此不宜盲目增大U型管鉆孔深度。

4 結束語

通過建立埋管模型，以控制變量的方法對埋管換熱性能進行了模擬分析，得出各個變量對埋管換熱的影響情況。結論如下：

（1）工質流量增大，進、出口溫差降低，總換熱量增大。

（2）進口溫度增大，出口溫度將增加，總換熱量減小。

（3）埋管深度增大，進、出口溫度和總換熱量都增加。

參考文獻：

[1]Hakan， Demir. Investigation of the effects of geometrical parameters on heat transfer from buried finned pipes[J]. Journal of Mechanical Science and Technology， 2013，27（8）：2497-2506.

[2]賈永英，周正.地源熱泵U型埋管非穩態傳熱數值模擬[J].低溫建筑技術，2015，10（9）：139-141.

[3]紀文杰，游田.埋管設計對寒冷地區地埋管地源熱泵系統性能的影響[J].暖通空調，2015，45（3）：113-118.endprint