單U 地埋管換熱器分層模型夏季實驗驗證

陳金華 高崇 張騰 路立地

1 重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室

2 低碳綠色建筑國際聯合研究中心

0 引言

隨著氣候變暖、能源短缺等問題的逐漸突顯，社會上對于建筑節能的要求與呼聲越來越高，地源熱泵技術因其高效節能的特點愈加受到重視[1]。其中豎直單U 地埋管地源熱泵的形式因為具有節約用地、運行可靠且適用性較為廣泛的優勢，得到了非常廣泛的研究與應用。在地埋管地源熱泵系統中，地埋管換熱器扮演著最為重要的角色，其運行情況直接決定了系統運行的可靠性與節能效果。建立模型對地埋管換熱器進行研究是分析其性能的重要手段，對地埋管地源熱泵系統的設計及運行起著巨大作用，故建立準確的換熱模型意義重大。

目前建立的大多數模型均是將地埋管換熱器周圍的巖土當做均一物質，整個巖土各部分熱物性質相同。而實際情況則是地下巖土由多種地質組成，同種地質的含水率不同，地下水滲流情況不同，均會使地埋管換熱器的換熱受到影響，地下巖土的熱物性質應分為多層。

有研究表明將巖土看做均一物質將會出現較大誤差：王冠軍[2]通過模擬，得出當土壤導熱系數按照中間向兩邊遞增的變化時換熱效果最好，中間向兩邊遞減設置時換熱效果最差的結論。於仲義[3]通過地質軸向與豎向分層同樣證明了不同的地質組成對地埋管換熱器的能效系數會造成不同的影響。Abdelaziz[4]與Perego[5]研究表明對具有強異質性的土壤采用均勻模型，其結果存在較大誤差。

針對實際巖土存在的分層現象，一些有關分層的研究逐漸開展。王澤生[6]根據巖土體地質種類分層的特點，建立了U 型地埋管換熱器分層穩態換熱模型。Li[7]研究了不同地質分層且地下水滲流流速不同的巖土對于地埋管換熱器的影響。BniLam[8]使用光譜元素方法對于非均勻多層系統進行分析與求解。

已有研究中，未能有簡單且同時考慮地下水滲流與地質分層的模型，有關模型的建立需準確的獲得地下的含水率及滲流情況，而實際過程中有關地下的含水率及滲流速度等有關參數難以獲得。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，并對其進行了驗證。本文采用該方法，對豎直單U 地埋管換熱器分層換熱模型進行夏季工況檢驗，分析該方法是否可以應用于單U 地埋管換熱器的分析。

1 分層換熱模型及驗證實驗

筆者曾提出過一種分層方法[9]，根據相關規范[10]，充分利用熱響應測試與地勘的結果，對項目巖土熱物性參數進行了求解，各層熱物性參數如表1 所示，并在該項目處繼續建立豎直單 U 地埋管換熱器實驗測試井，對其實際運行參數測試。測試井的埋深為 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，管內流體為水。

表1 巖土分層情況及熱物性參數

本實驗在地埋管進出水處布置溫度測點，并在地埋管不同埋深進出水管管壁上布置溫度測點，具體布置情況如表2 所示。溫度測點均是使用銅-康銅T 型熱電偶，標定后精度：±0.5 ℃。數據采集使用Agilent-34970A Bench Link。本實驗的流量測試使用TFX10209X1 超聲波流量計，測量范圍為 0～12 m/s，精度為±%1。

表2 單U 地埋管地下管壁測點布置情況

為驗證豎直單 U 地埋管換熱器夏季運行工況的準確性，在供冷季進行測試，時間為 2012 年 6 月 7 日至2012 年7 月3 日，為期27 天，共計648 h。

根據埋管的有關實際尺寸及分層情況建立網格，如圖1 所示，模型尺寸為半徑×高為3 m×100 m。其他有關熱物性參數設置見表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

將實際運行過程中的地埋管進水流速和溫度作為邊界條件，將出水溫度的模擬結果與實驗數據進行對比。

2 結果分析

實驗過程中逐時模擬值與實測值如圖 2 所示，實驗過程中，隨著時間的推移，室外溫度逐漸升高，使室內冷負荷相應增加，因此進水溫度隨著負荷增加也逐漸升高。豎直單U 地埋管出水溫度模擬值與實測值隨時間變化趨勢一致，且幾乎重合，其相對誤差如圖3 所示，相對誤差范圍在 0～1.48%之間，平均相對誤差為0.67%，模型有較高的計算精度。

圖2 夏季逐時進出水溫度實測模擬對比

圖3 夏季逐時進出水溫度實測模擬相對誤差

進出水溫度的溫差直接決定地埋管換熱器的換熱量，故對其進出水的模擬與實測溫差進行分析。如圖4 所示，模擬進出水溫差與實驗數據吻合度較高。溫差的相對誤差如圖5 所示，相對誤差范圍在0.02%～15.99%之間，平均相對誤差僅為7.41%。

圖4 夏季逐時進出水溫差實測模擬對比

圖5 夏季逐時進出水溫差實測模擬相對誤差

對各埋深處管壁溫度進行驗證，由于數據量較大，因此僅選取第5、10、20、27 天各埋深模擬溫度與實測溫度的相對誤差進行對比，其結果如圖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，其余各位置編號均按照此規律。由圖6 中可以看出，各個埋深的管壁模擬溫度與實測溫度相對誤差在0.51～1.95%范圍內波動，平均相對誤差為1.26%，整體相對誤差較小。

圖6 夏季各埋深管壁溫度模擬與實測相對誤差

3 結論

通過豎直單 U 地埋管換熱器夏季工況實驗與模擬對比分析，得到以下結論。

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

2）該模型夏季工況各埋深管壁溫度的實測與模擬的相對誤差均小于 2%，平均相對誤差為 1.26%，進一步證明該模型的準確性。

3）該分層模型應用在單 U 地埋管換熱器具有較高的精確度，為后續的單U 地埋管換熱器有關研究與設計提供了一種依據與方法。