單U 地埋管換熱器分層模型夏季實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

陳金華 高崇 張騰 路立地

1 重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2 低碳綠色建筑國(guó)際聯(lián)合研究中心

0 引言

隨著氣候變暖、能源短缺等問(wèn)題的逐漸突顯，社會(huì)上對(duì)于建筑節(jié)能的要求與呼聲越來(lái)越高，地源熱泵技術(shù)因其高效節(jié)能的特點(diǎn)愈加受到重視[1]。其中豎直單U 地埋管地源熱泵的形式因?yàn)榫哂泄?jié)約用地、運(yùn)行可靠且適用性較為廣泛的優(yōu)勢(shì)，得到了非常廣泛的研究與應(yīng)用。在地埋管地源熱泵系統(tǒng)中，地埋管換熱器扮演著最為重要的角色，其運(yùn)行情況直接決定了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與節(jié)能效果。建立模型對(duì)地埋管換熱器進(jìn)行研究是分析其性能的重要手段，對(duì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行起著巨大作用，故建立準(zhǔn)確的換熱模型意義重大。

目前建立的大多數(shù)模型均是將地埋管換熱器周圍的巖土當(dāng)做均一物質(zhì)，整個(gè)巖土各部分熱物性質(zhì)相同。而實(shí)際情況則是地下巖土由多種地質(zhì)組成，同種地質(zhì)的含水率不同，地下水滲流情況不同，均會(huì)使地埋管換熱器的換熱受到影響，地下巖土的熱物性質(zhì)應(yīng)分為多層。

有研究表明將巖土看做均一物質(zhì)將會(huì)出現(xiàn)較大誤差：王冠軍[2]通過(guò)模擬，得出當(dāng)土壤導(dǎo)熱系數(shù)按照中間向兩邊遞增的變化時(shí)換熱效果最好，中間向兩邊遞減設(shè)置時(shí)換熱效果最差的結(jié)論。於仲義[3]通過(guò)地質(zhì)軸向與豎向分層同樣證明了不同的地質(zhì)組成對(duì)地埋管換熱器的能效系數(shù)會(huì)造成不同的影響。Abdelaziz[4]與Perego[5]研究表明對(duì)具有強(qiáng)異質(zhì)性的土壤采用均勻模型，其結(jié)果存在較大誤差。

針對(duì)實(shí)際巖土存在的分層現(xiàn)象，一些有關(guān)分層的研究逐漸開(kāi)展。王澤生[6]根據(jù)巖土體地質(zhì)種類分層的特點(diǎn)，建立了U 型地埋管換熱器分層穩(wěn)態(tài)換熱模型。Li[7]研究了不同地質(zhì)分層且地下水滲流流速不同的巖土對(duì)于地埋管換熱器的影響。BniLam[8]使用光譜元素方法對(duì)于非均勻多層系統(tǒng)進(jìn)行分析與求解。

已有研究中，未能有簡(jiǎn)單且同時(shí)考慮地下水滲流與地質(zhì)分層的模型，有關(guān)模型的建立需準(zhǔn)確的獲得地下的含水率及滲流情況，而實(shí)際過(guò)程中有關(guān)地下的含水率及滲流速度等有關(guān)參數(shù)難以獲得。筆者提出了一種綜合考慮巖土分層的求解及分層方法[9]，建立了豎直雙U 地埋管換熱器換熱模型，并對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。本文采用該方法，對(duì)豎直單U 地埋管換熱器分層換熱模型進(jìn)行夏季工況檢驗(yàn)，分析該方法是否可以應(yīng)用于單U 地埋管換熱器的分析。

1 分層換熱模型及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

筆者曾提出過(guò)一種分層方法[9]，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[10]，充分利用熱響應(yīng)測(cè)試與地勘的結(jié)果，對(duì)項(xiàng)目巖土熱物性參數(shù)進(jìn)行了求解，各層熱物性參數(shù)如表1 所示，并在該項(xiàng)目處繼續(xù)建立豎直單 U 地埋管換熱器實(shí)驗(yàn)測(cè)試井，對(duì)其實(shí)際運(yùn)行參數(shù)測(cè)試。測(cè)試井的埋深為 100 m，管材為PE 管，外徑為32 mm，壁厚 3 mm，供回水管間距為 75 mm，鉆孔直徑為130 mm，管內(nèi)流體為水。

表1 巖土分層情況及熱物性參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)在地埋管進(jìn)出水處布置溫度測(cè)點(diǎn)，并在地埋管不同埋深進(jìn)出水管管壁上布置溫度測(cè)點(diǎn)，具體布置情況如表2 所示。溫度測(cè)點(diǎn)均是使用銅-康銅T 型熱電偶，標(biāo)定后精度：±0.5 ℃。數(shù)據(jù)采集使用Agilent-34970A Bench Link。本實(shí)驗(yàn)的流量測(cè)試使用TFX10209X1 超聲波流量計(jì)，測(cè)量范圍為 0～12 m/s，精度為±%1。

表2 單U 地埋管地下管壁測(cè)點(diǎn)布置情況

為驗(yàn)證豎直單 U 地埋管換熱器夏季運(yùn)行工況的準(zhǔn)確性，在供冷季進(jìn)行測(cè)試，時(shí)間為 2012 年 6 月 7 日至2012 年7 月3 日，為期27 天，共計(jì)648 h。

根據(jù)埋管的有關(guān)實(shí)際尺寸及分層情況建立網(wǎng)格，如圖1 所示，模型尺寸為半徑×高為3 m×100 m。其他有關(guān)熱物性參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

圖1 單U 地埋管換熱器分層物理模型示意圖

表3 巖土分層情況及熱物性參數(shù)

將實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的地埋管進(jìn)水流速和溫度作為邊界條件，將出水溫度的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐時(shí)模擬值與實(shí)測(cè)值如圖 2 所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，室外溫度逐漸升高，使室內(nèi)冷負(fù)荷相應(yīng)增加，因此進(jìn)水溫度隨著負(fù)荷增加也逐漸升高。豎直單U 地埋管出水溫度模擬值與實(shí)測(cè)值隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致，且?guī)缀踔睾希湎鄬?duì)誤差如圖3 所示，相對(duì)誤差范圍在 0～1.48%之間，平均相對(duì)誤差為0.67%，模型有較高的計(jì)算精度。

圖2 夏季逐時(shí)進(jìn)出水溫度實(shí)測(cè)模擬對(duì)比

圖3 夏季逐時(shí)進(jìn)出水溫度實(shí)測(cè)模擬相對(duì)誤差

進(jìn)出水溫度的溫差直接決定地埋管換熱器的換熱量，故對(duì)其進(jìn)出水的模擬與實(shí)測(cè)溫差進(jìn)行分析。如圖4 所示，模擬進(jìn)出水溫差與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高。溫差的相對(duì)誤差如圖5 所示，相對(duì)誤差范圍在0.02%～15.99%之間，平均相對(duì)誤差僅為7.41%。

圖4 夏季逐時(shí)進(jìn)出水溫差實(shí)測(cè)模擬對(duì)比

圖5 夏季逐時(shí)進(jìn)出水溫差實(shí)測(cè)模擬相對(duì)誤差

對(duì)各埋深處管壁溫度進(jìn)行驗(yàn)證，由于數(shù)據(jù)量較大，因此僅選取第5、10、20、27 天各埋深模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度的相對(duì)誤差進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖6 所示，其中G5 表示供水管 5 m 埋深處的管壁溫度，H 5 表示 5 m埋深處的管壁溫度，其余各位置編號(hào)均按照此規(guī)律。由圖6 中可以看出，各個(gè)埋深的管壁模擬溫度與實(shí)測(cè)溫度相對(duì)誤差在0.51～1.95%范圍內(nèi)波動(dòng)，平均相對(duì)誤差為1.26%，整體相對(duì)誤差較小。

圖6 夏季各埋深管壁溫度模擬與實(shí)測(cè)相對(duì)誤差

3 結(jié)論

通過(guò)豎直單 U 地埋管換熱器夏季工況實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

1）夏季工況出水溫度最大相對(duì)誤差為 1.48%，平均相對(duì)誤差為 0.67%，進(jìn)出水溫差最大相對(duì)誤差為15.99%，平均相對(duì)誤差為 7.41%，該分層換熱模型具有較高的準(zhǔn)確性。

2）該模型夏季工況各埋深管壁溫度的實(shí)測(cè)與模擬的相對(duì)誤差均小于 2%，平均相對(duì)誤差為 1.26%，進(jìn)一步證明該模型的準(zhǔn)確性。

3）該分層模型應(yīng)用在單 U 地埋管換熱器具有較高的精確度，為后續(xù)的單U 地埋管換熱器有關(guān)研究與設(shè)計(jì)提供了一種依據(jù)與方法。