豎直U型地埋管換熱器熱短路現象研究

田偉龍 張朋勇

摘要：本文通過創建地源熱泵多U型地埋管換熱器模型，利用CFD軟件對地埋管換熱器在埋管深度、入口流速、入口溫度不同時的換熱情況進行模擬分析，結果表明在不同工況對的地埋管換熱器的熱短路情況有所不同，在進行地埋管換熱器設計時需要綜合考慮各種因素保證換熱器有更好的換熱效果。

關鍵詞：地源熱泵;地埋管換熱器;數值模擬;熱短路

目前人們對于豎直地埋管換熱器的結構研究仍主要集中在單井埋設單U型和雙U型管的地埋管換熱器，對其它結構形式很少涉及。然而以上兩種換熱器單井換熱量有限，而國內人口密度和建筑密度較大，已經迫切需要充分發揮地源熱泵地埋管換熱器的換熱能力，提高單井換熱量，來減小換熱器的布置空間。為此，本文提出了單井埋設多組U型管的設想，并對多U型地埋管換熱器的熱短路現象進行了理論研究[3]，以供參考提出有效方案措施提高地埋管換熱器的換熱效率。

一、計算模型

（一）模型參數

在地源熱泵地埋管換熱器工程中，換熱器鉆井間距一般為4～6m，單井與土壤的換熱半徑為3m左右，故本文在以3m為界對換熱器進行模擬建模，忽略鉆井間的熱干擾;工程中常用換熱器鉆井深度為40～200m，直徑為100～200mm [1]。故本文采用對鉆井深度為120m，直徑為200mm的換熱器進行建模分析[2]。

（二）求解條件設定

本文采用在冬季工況下，多U型地埋管換熱器在運行到穩態時的換熱情況進行分析。模擬設置中選擇Pressure Based求解器、隱式求解，紊流模型選擇標準的k-ε模型，三維穩態計算模式[4]。地源熱泵冬季取暖工況下，設置土壤初始溫度為290K，表1為模型所涉及各類材料的物性參數，并假定各材料的物性參數在換熱器運行時不會發生變化。

二、模擬結果與分析

為了研究多U型管換熱器的熱短路現象，本文定義了多U型地埋管換熱器進口支管段熱短路強度ηi作為研究參數對多U型地埋管換熱器受熱短路現象影響程度進行了分析（其中各參數的下角標i均為單井內埋設的U型管組數）。

熱短路強度ηi為單井設置i組U型管時進口段換熱量兩支管間距無限大時與進口段的換熱量的之比減去出口段換熱量與兩支管間距無限大時出口段的換熱量的之比的差值。

當熱短路現象加強時，多U型管地埋管換熱器進出口段的之間的換熱得到加強，U型管換熱器的進口段會與出口段交換更多的熱量，這導致U型管換熱器的進口段換熱效率會得到加強，而出口段的換熱效率相對降低。從熱短路強度ηi的大小可判斷換熱器受熱短路現象的影響程度，其值越小表明換熱器受熱短路現象越不明顯。相反，其值越大熱短路現象越嚴重。

（一）井深對換熱器熱短路的影響

本文模擬分析了鉆井深度分別為60m、90m、120m、150m、180m、210m的模型在冬季制熱工況下換熱器的熱短路強度。

模擬結果表明，在鉆井深度較小時換熱器的熱短路強度ηi也比較小，隨著鉆井深度的增大，熱短路強度ηi也隨之增大，熱短路現象得到加強;并且在鉆井較深時，若深度繼續增加，短路強度ηi會有更大程度的增大，也就是鉆井較深時井深的變化對熱短路現象的影響更大。而單井內埋設U型管組數越多，在隨井深變化過程中熱短路現象不太明顯。

（二）進口水溫對換熱器熱短路的影響

以下為進口水溫分別為276K、278K、280K、282K、284K、286K時，其它邊界條件和參數不變的工況下，多U型地埋管換熱器的熱短路情況。

模擬結果表明，換熱器的熱短路強度ηi隨進口水溫升高的的變化也非常小，雖然略有升高但幾乎可以忽略。因此，可以忽略進口水溫的改變對多U型地埋管換熱器熱短路現象造成的影響。

（三）進口水溫對換熱器熱短路的影響

為研究循環水進口流速對多U型地埋管換熱器熱短路現象的影響，對進口流速為0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1m/s、1.2m/s時的換熱器模型進行了模擬分析。

模擬分析結果表明，在流速較低時多U型管換熱器的熱短路強度ηi很高，隨著流速的增加，熱短路強度ηi開始很迅速下降，然后下降幅度漸漸放緩，最后基本保持穩定，而且在單井內埋設U型管越多熱短路強度ηi越小。

雖然較大的流速既可以提高多U型管換熱器的單井換熱量，又能減弱U型管支管間的熱短路現象，但一味的增大流速會使循環水在U型管內的壓力損失越來越大，最終需要的水泵楊程會很大，這是實際工程所不想看到的，因此進口流速不宜過大。

三、結論

本文對單井埋設多U型地埋管換熱器支管間熱短路現象受各因素的影響情況進行了研究分析。通過比較多U型地埋管換熱器進出口段的熱短路強度ηi在各因素下變化的原理，得出以下結論：

（一）在相同運行工況且其它參數相同的情況下，單井內U型管組數的改變會使單井換熱量發生改變，但由于單井內U型管組數的增加，導致了進出口溫差的減小，且溫差變化隨各因素變化的程度也越小，這就導致了工況相同、參數相同時，單井內埋設U型管組數越多，支管間的熱短路現象隨各因素的影響越不明顯。但當進出口溫差相同時，單井內埋設U型管組數越多，各支管間的熱短路現象則越明顯;

（二）鉆井深度的增加雖然可以提高多U型地埋管換熱器的單井換熱量，但也同時會加劇各支管間的熱短路，因此，鉆井深度不宜太深。但由于單井內U型管組數越多，熱短路越弱，若考慮采用單井內埋設多組U型管，則可視情況適度增加鉆井深度;

（三）多U型地埋管換熱器支管間的熱短路受進口水溫的改變的影響不大，幾乎可以忽略。

（四）但進口流速對其影響卻很明顯。進口流速越高，支管間的熱短路現象越不明顯。但流速增加，會造成管內壓力損失過大，不利于工程應用，因此進口流速也不宜過大;

參考文獻：

[1] 鮑宇.豎直雙U型地埋管換熱器換熱性能的數值模擬分析[D].湖北工業大學.2018

[2] 李歡.地源熱泵豎直單U型地埋管傳熱模型研究[D].安徽工業大學.2019

[3] 楊正武.U型地埋管換熱器熱短路特性研究[D].西南交通大學.2009

[4] 韓靜洋.豎直U型地埋管換熱器在不同條件下的傳熱性能對比[D].河北科技大學.2020

作者簡介：田偉龍（1988—），男，漢族，河北石家莊市人，中級工程師，工程碩士，中國核電工程有限公司河北分公司，暖通設計。