以江水為高溫冷源的 THICS 系統的設計及理論分析

趙運超 李德飛 金輝 張志豪 費華

1 江西理工大學建筑與測繪工程學院

2 武漢理工大學土木工程與建筑學院

0 引言

溫濕度獨立控制空調系統（THICS）為空調系統的研究方向提供了全新的思路，也為降低建筑能耗提供了一種行之有效的技術方法。在THICS中，溫度控制部分，由于無除濕的要求，所以與空氣進行熱量交換的冷凍水可以采用15～18 ℃的高溫冷水，這就為自然冷源的利用提供了可能。如何充分利用自然界的高溫冷源，是發揮THICS節能優勢的關鍵問題[1-4]。在現有的相關文獻中[5-8]，對于直接利用自然界中的高溫冷源的研究相對較少。

筆者結合江南地區水資源豐富的特點，提出一種以江水為高溫冷源的 THICS，并以江南地區（南昌）為例，對其進行了詳細的方案設計及理論分析。

1 以江水為冷源的THICS方案設計

設計方案如圖1，一定溫度的江水在循環水泵1的動力作用下進入管路系統，通過過濾裝置3和水處理裝置4達到水質要求后送入一定深度的埋管換熱器6中，利用土壤在一定深度下常年保持恒溫的特點，通過熱量交換進一步降低江水溫度，使經過熱交換后的江水溫度滿足THISC中所需高溫冷水的溫度要求。高溫冷水在冷凍水泵5的作用下，被輸送至室內的末端裝置7，對室內進行溫度的控制。換熱后的回水再沿管路經埋管換熱器6排至江中，如此循環工作。

圖1 以江水為冷源的THICS原理圖

2 理論分析

2.1 江水溫度分析

贛江是南昌境內最大的河流[9]，其 充足的水源為江水作為THICS的高溫冷源提供了保證。筆者采用數值分析的方法，運用MATLAB軟件，結合南昌地區典型氣象年的相關數據，分析南昌地區贛江江水溫度的分布規律，擬合方程[10]見下式：

式中：ts為江水平均溫度，℃；ta為當地空氣日平均溫度，℃；φ為室外空氣相對濕度，%；u為室外風速，m/s。

計算結果如圖2所示。

圖2 江水平均溫度分布圖

從圖2可知，南昌地區江水溫度在空調季的 5～9月份維持在18.58～22.73 ℃之間，7月為最高22.73 ℃，考慮到江水經過過濾器和水處理裝置時可能有1～2 ℃的溫升，所以，江水溫度的分布范圍與 THICS 所要求的高溫冷水（15～18 ℃）的溫度相比，還有一定的差距，為了解決這個問題，擬將江水與土壤相結合，利用土壤常年恒溫的特點進一步對江水進行降溫，從而達到使用要求。

2.2 土壤溫度分析

根據傳熱學理論，地殼被認為是一個半無限大的物體。它的溫度場受周期性溫度波作用，在不同深度、不同時刻下的土壤溫度場的理論計算模型[11-12]為：

式中：x為地表向下算起的土壤深度，m；τ為計算時刻，s；tm為地表月平均溫度，取 18.2 ℃；a為土壤熱擴散系數，取 9.2×10-7m2/s；Aw為地表溫度波動的振幅，取±12.2 ℃；T為地表溫度的變化周期，取 8760 h。

根據式（2），利用MATLAB可計算出土壤溫度隨時間、深度的變化，計算結果如圖3所示。

圖3 土壤溫度隨時間、深度的變化規律圖

從圖3可以看出，隨著土壤深度的增加，溫度波的振幅逐漸減小，地層溫度地下5 m左右趨于穩定，基本上穩定在17.5℃左右。同時還可以看出，溫度波的峰值也隨著地層深度的變化而延遲。所以，水源與土壤源相結合的換熱方式，理論上可以滿足THICS對冷凍水溫度的要求。

3 傳熱分析

3.1 物理、數學模型的建立

地下埋管是一種利用地下土壤中的熱量進行換熱循環的換熱器。筆 者利用GAMBIT軟件建立水平埋管傳熱的物理模型（如圖4所示），該模型主要由土壤，水平埋管和管內流體組成，其中水平埋管長 10m，周圍土壤幾何尺寸4 m×4 m×10 m。

圖4 物理模型

埋管換熱器與土壤的傳熱過程是一個復雜的非穩態傳熱過程[13-15]，具體由4個過程組成：管內對流過程，管壁的導熱過程，管壁與土壤的傳熱過程，土壤的導熱過程（如圖5所示）。

圖5 傳熱過程圖

所以，埋管換熱器與土壤之間非穩態傳熱過程的數學控制方程為：

式中：h為管內流體對流換熱系數，W/(m·℃)；Tf、Tb、T1、Ts分別為流體溫度、管內壁溫度、管外壁溫度和土壤溫度，℃；λ1、λs分別為管壁導熱系數和土壤導熱系數，W/(m·℃)；r1、r2分別為管內半徑和管外半徑，m 。

在進行計算時對上述數學模型作如下假設：

①假設流體、埋 管換熱器及土壤的熱物性參數為常物性參數。

②假設水平埋管內同一截面處流體的溫度和流速均勻一致。

③假設同一水平面上的土壤初始溫度相同。

④忽略熱濕遷移所造成的影響。

⑤埋管敷設在土壤恒溫層。

⑥忽略土壤和水平埋管外管壁之間的接觸熱阻。

⑦假設水平埋管與土壤的換熱影響半徑為2 m，即2 m外土壤溫度不發生變化。

3.2 建模及網格劃分

由于求解的管內流體是不可壓縮流體，且其流速不大，選取隱式求解器，其流動狀態為紊流，選取標準k-epsilon紊流模型[16]。先定義管內流體的介質類型為“FLUID”，并命名為“fluid”。然后定義埋管換熱器和土壤的介質類型為“SOLID”。水平埋管進口“inlet”定義為VELOCITY_INLET，隨后在FLUENT 中給定進口流速和水溫的邊界條件。出口“outlet”為充分發展流動，定義為OUTFLOW邊界條件。埋管換熱器壁面和土壤壁面均定義為WALL。

圖6 進出口截面與管壁面劃分效果

在GAMBIT 中進行網格的劃分相當于對控制方程進行離散化，然后求解離散方程組。單擊操作面板上的“mesh”工具箱，對上述物理模型的埋管和土壤區域進行網格劃分。圖6為進出口截面和管壁網格劃分效果圖。圖7為土壤水平面，采用三角形的非結構化網格劃分。圖8為水平埋管整體網格劃分效果。模型的總網格數為830771個。

圖7 土壤水平面網格劃分

圖8 水平埋管整體網格劃分效果

4 模擬結果

結合南昌地區贛江水源及土壤的實際情況，模擬在實際條件下，江水經過土壤換熱器后水溫的變化情況，考察出口水溫是否滿足THICS對高溫冷源溫度的使用要求。南昌地區的土壤以砂巖為主，埋管材料選取高密度聚乙烯管（PE管），入口水溫為23 ℃，取流速0.5 m/s，其他材料物性參數見表1。

表1 材料物性參數表

圖9為在t=3600s 時，即在系統運行 1h后，模擬水平埋管出口水溫的計算過程中的各項殘差值，從圖中可以看出計算過程中各項殘差值一直很穩定，且保持在較低的數值，說明了計算結果可靠性。

圖9 水平埋管出口水溫模擬計算殘差圖

圖10和11分別為江水進入水平埋管入口和出口處水溫的變化情況。從圖中可以看出：當管道足夠長，換熱充分后，管內流體在出口處的溫度將會達到與土壤溫度 290.65K一致，即17.5℃，整個過程降低5.5℃，基本上可以滿足溫濕度獨立控制空調系統中對高溫冷源溫度的使用要求，因此，本文提出的方案在江南地區實施使用是可行的。

圖10 水平埋管入口處水溫云圖

圖11 水平埋管出口處水溫云圖

5 影響因素分析

江水與土壤的換熱通過水平埋管來完成，水平埋管換熱器將大地作為冷源，所以系統熱交換的效率由管內流體的流速、管材的導熱系數和土壤的導熱系數三者統統決定。本文利用上述模型，分別模擬以上三個因素對地下埋管換熱性能的影響并進行理論分析。

5.1 管內流速大小對水平埋管換熱性能的影響

根據文獻[17]，埋管換熱器內流體流速的要求為不低于0.2m/s，若流速過大，將會導致管內流體在流動過程中阻力增大，最終增加泵的能耗。反之，若流速過小，又不利于充分換熱。故在入口水溫為23℃的工況下，流速分別取 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1.0、1.2 m/s，分析水平埋管單位管長換熱量的大小，模擬結果詳見圖12。

圖12 不同流速下水平埋管單位管長換熱量

從圖12中可以看出：在換熱器入口水溫一定的情況下，隨著入口流速的增大，單位管長換熱量逐漸增加，這是因為在換熱器斷面積不變時，流速的增加會增大管內對流換熱系數，有利于管內流體與周圍土壤之間的熱量交換。隨著流速的增加，管路系統阻力也會增大，從而導致泵的能耗增加。另外，當流速增大到一定時，單位管長換熱量的增量也會變小，地下埋管換熱增量不明顯。所以，在綜合考慮單位管長換熱量大小以及系統的能耗情況，筆者認為水平埋管內流速取0.5～0.8 m/s比較適宜。

5.2 管材導熱系數對水平埋管換熱性能的影響

筆者選取不同管材進行模擬，其 導熱系數分別為0.3，0.45，0.9，1.5和2.0 W/(m·℃)，在入口水溫23℃，流速0.5 m/s的工況下，模 擬不同管材的導熱系數對水平埋管單位管長換熱量的影響，具體的模擬結果詳見圖13。

圖13 單位管長換熱量隨管材導熱系數變化圖

從圖 13 可以看出，當管材的導熱系數從 0.3 W/(m·℃)變化到 2.0 W/(m·℃)時，單位管長換熱量的改變僅僅是1.1 W/m，所以，水平埋管的管材導熱系數對埋管的換熱量影響是很小的。雖然說水平埋管是流體與土壤發生熱交換的中間介質，但是由于埋管管壁的厚度僅為1 mm，導致管壁的導熱熱阻在換熱過程產生的影響非常小。如果在實際工程中一味地追求高導熱系數的水平埋管，并不能獲得很好的增強埋管的傳熱性能。

5.3 土壤導熱系數對水平埋管換熱性能的影響

分別選取不同地區的土壤，其導熱系數分別為0.9、2.0 和 3.55W/(m·℃)，在入口水溫23 ℃，流速0.5 m/s，水平埋管管材導熱系數取0.45 W/(m·℃)的工況下，模擬不同土壤導熱系數對水平埋管單位管長換熱量的影響，模擬結果見圖14。

圖14 單位管長換熱量隨土壤導熱系數變化圖

圖14可以看出，隨著土壤導熱系數的增加，單位管長換熱量越大，基本上是成線性增加的。這是因為土壤導熱系數越高，水平埋管與土壤的換熱更加充分，換熱效率也更高。在土壤導熱系數為0.9W/(m·℃)時，單位管長換熱量為60.31 W/m，而在導熱系數為3.55 W/(m·℃)時，換熱量為84.6 W/m，增長了 24.29 W/m，這意味著對于同樣的管材，在導熱系數高的土壤中可以縮短埋管的長度，從而節省埋管敷設費用，即可以減少系統的初投資。

6 結論

筆者提出一種以江水為高溫冷源的溫濕度獨立控制空調系統的設計方案，以南昌地區為例分析了該方案實施所需的江水和土壤溫度的分布情況，并通過理論分析和數值模擬的方法研究了不同因素對土壤埋管換熱量的影響，得到以下結論：

1）通過對南昌地區贛江水溫和土壤溫度分布的計算分析，認為單一水源難以滿足 THICS 對水溫的要求，因此提出了水源+土壤源的換熱方式用來完善本方案。

2）運用數值模擬的方法，建立了水平埋管的物理模型和數學模型，通過模擬分析得出在換熱器入口水溫一定時，隨著管內流速的增大，單位管長換熱量逐漸增加，考慮系統能耗后認為水流速取 0.5～0.8 m/s比較適宜。管材導熱系數對單位管長換熱量的影響較小。土壤的導熱系數對單位管長換熱量增加非常明顯。另外，埋管在換熱的過程中會使得臨近的土壤有一定的溫升，但溫升量較小，對換熱的影響較小。

3）針對南昌地區贛江水溫及土壤的實際情況進行熱量交換的數值模擬，得到管內流體在出口處的溫度約為即 17.5 ℃，基本上可以滿足 THICS 對冷源溫度的使用要求，驗證該方案在江南地區實施可行性。