地源熱泵地埋管換熱器影響因素分析

賀靜靜

（陜西能源職業技術學院 建筑工程學院， 陜西 咸陽 712000）

0 引言

能源利用與環境保護的平衡，對一個城市的發展越來越重要，咸陽地區地處秦嶺北麓，地勢具有兩側高，中間低的特點，屬大陸性半濕潤半干旱氣候，一年四季溫差大，冬季需要供暖，能源消耗比較大，且傳統能源來源于礦物燃料的燃燒，這導致冬季這個城市霧霾嚴重。清潔能源的推廣顯得尤為重要。

1 熱源熱泵系統應用土壤情況調查

根據地質地形和區域的劃分，我國地源熱泵系統應用土壤情況從區域、典型地區、典型地質、主要應用類型、應用深度等幾個方面進行總結有：北京北部地區以巖石為主，南部地區以砂土為主；黃河中部平原地區的西安、咸陽、蘭州等地以黏土、粉細砂、少量卵石為主；長江中部武漢以巖石為主；黃海北部威海、青島以巖石為主；天山山脈烏魯木齊以巖石為主；長三角流域蘇州、上海以黏土、粉細砂為主；山東中部濟南、浙江中東部杭州以巖石為主；江蘇北部徐州卵石為主；重慶、湖南、江西以地表水為主。

2 垂直U型管換熱器的物理模型

不同地區土壤組成成分、熱工性能、介質的傳熱傳濕性質差別很大，這也直接影響著埋地換熱器的換熱性能。其次，數學模型的建立和邊界條件的設置都很重要。本文首先對咸陽地區的土壤的特性做出各向同性且均勻的多孔的介質的假定，利用ANSYS軟件建立單根垂直U型埋地換熱器的模型。

3 數學模型的建立

土壤、埋地管管壁及回填材料的導熱方程是：

4 U型管內流體的流動以及對流換熱的模型

建立垂直U型管內流體的流動以及對流換熱的模型，首先要確定管內流體流動狀態，流體流動分為層流和紊流。埋地垂直U型管內流體的流動屬于紊流狀態。動量方程、紊流動能方程、能量方程、流體連續性方程、紊流動能耗散率方程等都屬于流體紊流控制方程，這些方程的應用都要滿足方程（2）：

5 模擬計算的邊界條件和初始條件

5.1 U型管內介質流動邊界條件

②固體壁面的邊界條件

垂直埋管管壁流體速度值取零，都用無滑移邊界條件。埋管外壁面與直接接觸的土壤進行換熱的能量方程用耦合傳熱進行求解。我們假定壁面上的水流是不可滲透的。紊流動能的K方程，在壁面的地方邊界條件用擴散通量為零。

③進出口的邊界

進口：紊流動能取來流平均動能百分數，數值取0.5%～1.5%。

出口：埋地管內的循環介質隨著熱泵停止運行而停止流動，這時流體和管壁之間傳熱的方式是導熱，它的邊界條件為:

式中： 是管壁的溫度，k。

5.2 固體的部分

初始的條件:對于整個包括U型管的管壁還有土壤以及回填材料部分的固體的計算區域的初始溫度為12.5℃，即。

邊界條件：地表面定義為是絕熱的，q=0。

U型管支管的外壁面和回填材料的接觸面以及土壤的接觸面和回填材料都是耦合的熱傳導面：

土壤的接觸面和回填材料也是耦合的熱傳導面：

6 流速對換熱量的影響

通過模擬，不同入口流速下換熱性能曲線如下圖：

改變U型管入口介質的流速，會使土壤源熱泵垂直U型管的換熱量發生變化，從已得數據可以看出，模擬入口介質流速分別為0.5m/s、0.7m/s、0.9m/s、1.2m/s、2.0m/s、3.0m/s時換熱量的變化。流速從0.5m/s上升到2.0m/s時，換熱量從1978.34w上升到2150.36w，其增幅達到了8.7%，當流速從2.0m/s變化到3.0m/s時，換熱量從2150.36 w變化到2152.47 w，增幅僅為0.098%。那么可以把垂直U型管的換熱分為兩個階段，增幅為8.7%為第一階段，增幅為0.098%為第二階段。在第一階段里隨著流速的增加，垂直U型管內流體紊流現象會加劇，使得換熱系數增大，結果使換熱量增加。

另一方面，U型管內的阻力隨著管內介質流速的增大而增加，那么U型管內的流速增加會使水泵能耗加大，所以，在確定介質入口流速對換熱量的影響時，還需考慮水泵能耗。因此，確定介質入口流速十分重要，本文推薦單U型管的入口流速介于0.7m/s～2.0m/s之間。