運行模式對毛細管換熱器換熱性能影響研究

曹廷濤，佟 振，胡松濤，劉國丹，王依梅(青島理工大學 環境與市政工程學院，青島 266033)

地鐵在運行過程中不斷產生大量廢熱，隧道內長期的熱量堆積會造成隧道及周圍巖體溫度上升[1]，不僅會影響地鐵隧道的熱環境，還會破壞地下巖體的熱平衡.為解決這一問題，地源熱泵技術在地下隧道的應用受到了越來越多的關注[2-4].地源熱泵系統的應用，既可以緩解隧道溫度升高的現狀，同時也實現了對地熱能的利用.2011年，FRANZIUS J N等[5]在預制混凝土區間隧道中通過嵌入塑料管以收集鄰近地層的熱量，為位于隧道上方的1座建筑提供大約40 kW的供暖需求.2015年，胡松濤等[6]首次提出將毛細管網敷設于地鐵隧道圍巖內作為地源熱泵系統的前端換熱器，相比于傳統形式的地埋管等熱交換管，毛細管在隧道中的應用，具有施工方便、占地面積小、傳熱面積大、傳熱效果好等優點.

目前，針對傳統地埋管換熱性能和設計方法的研究已有很多[7-10].2017年，宮樹娟[9]采用基于線源理論的單 U 形地埋管換熱性能簡易計算模型，利用正交試驗法對7個影響地埋管換熱性能的因素進行了敏感性分析.2018年，郭春梅等[10]為了緩解埋管區域土壤的熱量堆積問題，提出了埋管換熱器按內中外、塊狀、間隔3種分區運行的策略.而對于以毛細管為前端換熱器的地鐵地源熱泵系統，目前的研究主要集中在青島理工大學胡松濤課題組.高號[11]通過建立CFD仿真模型分析了管內流速、管間距和管長等因素對毛細管換熱器換熱的影響.孫福杰[12]通過簡易試驗分析了流速、進水溫度和進出口壓差對毛細管換熱器換熱量的影響.

由于圍巖體具有蓄熱性，溫度和熱量的傳遞具有滯后性，毛細管周圍的巖體溫度升高或者降低，會影響后面的熱交換過程.本文將利用毛細管傳熱的TRNSYS仿真計算模型分析運行模式對換熱器換熱量的影響情況，優化毛細管換熱器設計.

1 模型及驗證

1.1 仿真模型

以毛細管為前端換熱器的地鐵隧道地源熱泵系統形式如圖1(a)所示，毛細管敷設于隧道二襯與一襯之間，作為熱泵系統源側的能量采集器，故稱為毛細管前端換熱器.毛細管前端換熱器管材為PP-R，管徑為4.3 mm×0.85 mm，管間距為20 mm，每片管席上有毛細管48根，毛細管結構如圖1(b)所示.

圖1 毛細管前端換熱器布置及結構

王依梅[13]取二襯表面到圍巖無限遠處的一小塊微元體為分析對象，將毛細管前端換熱器簡化成敷設于砂漿保護層中的平板換熱器，進行了毛細管在隧道襯砌中的傳熱過程計算，得到了換熱器出口溫度的逐時解.在此基礎上，利用TRNSYS軟件建立了毛細管前端換熱器仿真計算模型，如圖2所示.

其中，Type14h組件主要用于毛細管前端換熱器運行模式控制，如取冷、取熱和停止，可設置總共模擬時長以及各個狀態的模擬時長；canshu計算器和R計算器用于計算毛細管前端換熱器計算所需的各項熱阻；Type813為毛細管前端換熱器計算模塊；Type9a和Type9a-2可通過導入外部文件輸入換熱器進口水溫和隧道空氣溫度；Type65c輸出計算結果.

1.2 模型驗證

模型驗證的數據取自1個工程項目的試驗測試，測試時間為3月份，共計22.5h.根據實際測試情況設置計算模型參數，將隧道空氣溫度和換熱器進口溫度作為已知量導入計算模型，計算毛細管的出口溫度，模擬結果和實測結果的對比情況如圖3所示.對應的模擬值和實測值的數值點共270個，毛細管換熱器出口溫度模擬值與實測值的平均相對誤差為-2.71%，其中有24個數據相對誤差的絕對值大于8%，87.04%的計算值與實測值的相對誤差在5%以內.模擬計算時，毛細管中的水、毛細管管壁、圍巖各處的溫度都設置為15.5 ℃，實際上，在隧道施工過程中，圍巖和襯砌之間以及圍巖和空氣之間一直在進行熱量交換，各處溫度不一致，故在運行初期，模擬結果與實測結果相差較大.從圖3可以看出，在運行中后期(大于等于3 h)，毛細管前端換熱器出水溫度模擬計算結果與實測結果吻合良好.計算模型是正確和可靠的.

圖3 隧道空氣溫度及毛細管換熱器出口溫度隨時間變化情況

1.3 隧道空氣溫度

隧道空氣作為毛細管換熱器熱量的重要來源和蓄熱體，隧道空氣溫度的高低對毛細管換熱性能有重要影響.換熱器性能分析仿真計算時所用隧道空氣溫度參數取實測數據.隧道空氣溫度每0.5 h采集記錄1次，連續測試7 d.受眾多因素的影響，隧道空氣溫度近似呈周期性變化.短期內隧道空氣溫度大小及變化規律基本相同，某地鐵隧道夏季、冬季隧道空氣溫度日變化情況如圖4所示.

從圖4可以看出，夏季、冬季隧道空氣溫度日變化規律基本相同.夏季隧道空氣溫度最低為30.8 ℃，最高為33.5 ℃，平均溫度為32.3 ℃.受室外溫度的影響，冬季隧道空氣溫度整體要低于夏季，冬季隧道空氣溫度最低為20.7 ℃，最高溫度為24.4 ℃，平均溫度為23.2 ℃.夏季日隧道空氣溫差為2.6 ℃，冬季日隧道空氣溫差為3.7 ℃，隧道空氣日溫差較小，且夏季隧道空氣日溫差小于冬季.

圖4 隧道空氣溫度日變化情況

2 運行模式影響下的毛細管換熱性能分析

基于驗證的毛細管前端換熱器仿真計算模型，通過模擬計算，分析了夏季和冬季工況下運行模式對毛細管換熱性能的影響情況.毛細管面積取10 m2，毛細管內介質為水，管內流速取0.1 m/s.進口水溫夏季取38 ℃，冬季取5 ℃.圍巖初始溫度為16 ℃，圍巖導熱系數為2.2 W/(m·K)，熱擴散率為0.9×10-6m2/s.以測試所得的24 h隧道空氣溫度為計算參數，夏季隧道空氣溫度平均為32.3 ℃，冬季為23.2 ℃.模擬運行時長為5 d.

2.1 連續運行

連續運行時毛細管單位面積換熱量隨時間的變化情況如圖5所示.由圖5可知，毛細管單位面積換熱量隨運行時間延長而降低，長時間連續運行將降低毛細管前端換熱器的換熱性能.在該計算工況下，連續運行時長對毛細管換熱器換熱性能的影響，夏季要大于冬季.夏季制冷時，連續運行時長由24 h增加至120 h，單位面積換熱量由67.61 W/m2降低至48.24 W/m2，換熱性能降低了29%.冬季時，連續運行時間由24 h增加至120 h，單位面積換熱量由69.23 W/m2降低至 61.93 W/m2，換熱性能降低了11%.

2.2 間歇運行

長時間換熱后，毛細管周圍巖體中會堆積冷熱量，影響后續換熱過程，換熱器換熱量逐漸降低.間歇運行概念是根據建筑環境中供熱供冷系統機組運行具有間斷的特點和地溫的可恢復性提出的高效利用地溫能的有效措施[14].地鐵源熱泵系統的日運行時間要根據上部建筑的特點和服務功能以及建筑空調系統而定.

運行期每天設置運行16 h間隔8 h、運行12 h間隔12 h、運行8 h間隔16 h、運行4 h間隔20 h，用日運行時間比來表示，則日運行時間比分別為2/3，1/2，1/3，1/6.模擬計算時長仍設為5 d.

2.2.1 夏季工況

夏季工況時不同日運行時間對毛細管換熱性能的影響情況如圖6所示.在相同的換熱時間條件下，日運行時間比越小，毛細管前端換熱器每天向隧道空氣和圍巖釋放熱量的時間越短，毛細管周圍巖體溫度可恢復(即溫度回落)的時間就相應的長一些，換熱器單位面積釋熱量越高.通過減小系統日運行時間比，可以提高毛細管換熱器在運行期內整體的取冷性能.日運行時間比為2/3，1/2，1/3，1/6，系統運行5 d后，間歇運行時毛細管前端換熱器單位面積換熱量比連續運行時分別提高了7%，9%，18%，29%.可以看出，夏季工況時當日運行時間比小于等于1/3時，毛細管換熱器換熱性能有大幅度改善.當日運行時間比為1/3，運行時長為1 ，2 ，3 ，4，5 d時，毛細管前端換熱器單位面積換熱量比連續運行時分別提高了10%，13%，15%，17%，18%.

需要注意的是，在該計算條件下，當日運行時間比為2/3，1/2時，毛細管單位面積換熱量相差不大.另外，當隧道空氣溫度高于圍巖初始溫度，即使毛細管前端換熱器不再向隧道空氣和圍巖中放熱，圍巖體溫度場也無法恢復至運行前狀態.

2.2.2 冬季工況

冬季工況時不同日運行時間對毛細管換熱性能的影響情況如圖7所示.在相同的換熱時間條件下，日運行時間比越小，毛細管前端換熱器每天從隧道空氣和圍巖取熱的時間越短，毛細管周圍巖體溫度可恢復(即溫度回升)的時間就相應的長一些，換熱器單位面積取熱量越高.通過減小系統日運行時間比，可以提高毛細管換熱器在運行期內整體的取熱性能.日運行時間比為2/3，1/2，1/3，1/6，系統運行5 d后，間歇運行時毛細管前端換熱器單位面積換熱量比連續運行時分別提高了11%，22%，28%，37%.可以看出，冬季工況時通過減少毛細管的換熱時間，毛細管換熱器換熱性能有明顯改善，且間歇運行對于毛細管換熱性能的改善效果，冬季要優于夏季.當日運行時間比為1/3，運行時長為1 ，2 ，3 ，4，5 d時，毛細管換熱器單位面積換熱量比連續運行時分別提高了15%，21%，24 %，26%，28%.

在該計算條件下，當系統日運行時間比為1/3時即日運行時間為8 h，毛細管單位面積換熱量隨運行時間延長基本保持不變；當系統日運行時間比小于1/3時即日運行時間少于8 h時，毛細管單位面積換熱量隨運行時間延長而增大.這主要是因為系統日運行小于等于8 h時，其每天從隧道空氣和圍巖中取熱的時間短，圍巖初始溫度恢復的時間長，且隧道空氣溫度高于圍巖初始溫度，空氣向襯砌和圍巖中傳熱，當毛細管再次開始取熱時，圍巖溫度高于上次換熱前的圍巖溫度.

3 結論

本文利用地鐵地源熱泵系統現場試驗驗證了毛細管傳熱的TRNSYS仿真計算模型的準確性，通過模擬計算了夏季取冷和冬季取熱工況下毛細管的換熱量，分析了連續運行和間歇運行對毛細管換熱性能的影響，結果表明：長時間連續運行不利于毛細管與周圍巖土體的熱交換，將導致換熱器換熱性能降低；日運行時間越短，換熱器單位面積換熱量越高，且間歇運行對于毛細管換熱性能的改善效果，冬季要優于夏季；當日運行時間小于等于8 h時，連續換熱5 d后，夏季工況毛細管前端換熱器單位面積換熱量比連續運行時提高18%，冬季工況提高28%.