夏季工況下宿州地區U型管換熱器換熱效率模擬與分析

張洋，程海峰，張舉，楊葉萌，王庚

（1.安徽建筑大學環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601；2.建筑能效控制與評估教育部工程研究中心，安徽 合肥 230601；3.智能建筑與建筑節能安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；4.安徽建筑大學建筑室內熱濕環境實驗室，安徽 合肥 230601）

1 概述

本文通過對宿州地區單U深井式地埋管換熱器建立地埋管換熱器的管內外耦合全尺寸三維動態數值計算模型，對該地埋管換熱器的換熱性能等進行數值仿真模擬并與實測結果進行比較分析。項目地點位于宿州市埇橋區（其地理坐標為：東經 11656'28"～11701'09"，北緯 3337'52"～3340'42"）。鉆井深度100m，回填材料為原土回填，其中單U地埋管采用高密度聚乙烯材質（HDPE），管徑為20mm，地下鉆井直徑140mm。單U地埋管換熱器截面和剖面結構如圖1、圖 2。

圖1 單U換熱器橫截面圖

圖2 單U換熱器剖面圖

2 模型的建立

2.1 基本假設

適當的假設能夠在確保研究數據準確度為前提的條件下加快模型運算速度，合理的假設對于解決問題而言十分重要。為了更好地分析，按照實際情況做出下列的假設：

①假設地表溫度變化忽略不計，土壤的初始溫度在無窮遠處也不發生變化且均勻一致；

②假設換熱器周圍的復雜固液混合物為均勻固體，忽略周圍巖土體滲流帶來的影響，熱量交換僅以導熱形式進行；

③假設換熱管內流體為理想工況即管內同一截面的流體具有相同的溫度與流速；

④假設換熱裝置周圍為均勻的巖石、土層和回填料，往徑向和豎向延伸，其熱物性參數不變；

⑤假設忽略回填材料的接觸熱阻，地埋管與周圍巖土以線熱源方式進行換熱。

2.2 三維模型的建立

根據以上假設，利用COMSOL軟件建立模型，如圖3、圖4。

圖3 頂部模型圖

圖4 底部模型圖

2.3 三維模型網格分析

本模型外部土壤模擬為半徑5m內土壤換熱，井內PE管直徑僅為20mm，構建網格較為復雜，為使模擬計算盡可能精準快捷，所以采用分區構建的方法。構建如圖5、圖6。

圖5 換熱系統網格

圖6 底部單U部分網格

3 模型的驗證

為了驗證模型，根據地源熱泵運轉情況實測分析，得到包括進出口水溫在內數據，查閱資料及對宿州地區進行巖土熱響應實驗，可以得到COMSOL模型各部分熱物性。宿州地區地屬華北平原，地層大多屬于第四系，土壤類型以粉質黏土、粉土和粉質沙土為主，土壤平均熱導率為 1.8W/（m·K），平均比熱容為2.8MJ/（m·K），初始地溫為18℃。地層平均初始溫度隨時間變化曲線圖如圖7。

圖7 地層平均初始溫度隨時間變化

巖土體平均初始溫度測試歷時5.8h，在未向地埋管提供冷、熱量的情況下保持地埋管內水以1.5m/h的流量循環流動，測得的循環水溫度即為巖土的平均初始溫度。經測定，試驗孔巖土平均初始溫度為18.2℃，即初始地溫。

根據實際的進水溫度，經過模擬，可得實際與模擬所得的出水溫度曲線如圖8。

圖8 出口溫度模擬計算結果與實測結果對比圖

本次模擬為從當日下午8點到次日下午7點，每隔1小時記錄一次出口溫度，共模擬了機組在夏季穩定運行24小時的工作狀況，與相同工況下，機組實際穩定運行24h所測得的出口溫度進行對比。由圖8可知，實測出口溫度比模擬值較低，是因為土壤中有地下水的存在，所以土壤中存在熱對流，而本模擬把土壤的傳熱看作為純導熱處理，因此實際的傳熱效果要好于模擬效果。通過查閱宿州地區水文地質資料，宿州地區100m深度土壤溫度大概在18℃，與實驗模擬設定地溫一致。而試驗出口水溫值取穩定運行狀態下24h時間段的數據，可以看出實驗與模擬所對應的趨勢一致，出口水溫值較為吻合，誤差不足實際數值的5%，二者之間最大差值僅為0.6℃，即驗證了本文所采用的的數值模擬和計算方法的合理性。

4 換熱效率影響因素的分析

4.1 循環流體流速

實際測算過程中發現，循環流體的流速對系統換熱性能有較大影響。為了探究循環流體流速對地熱井換熱性能的具體影響，本文展開具體的分析研究。本文第2、3章所建傳熱模型模擬流速與實際機組運行循環流體流速一致，為1.5m/h，且經過驗證符合實際情況。所以在原模型基礎上改變流速，得到不同流速下相同時刻的進、出口溫度模擬如圖9～圖13。

圖9 流速為0.5m3/h

圖10 流速為2.5m3/h

圖11 流速為3.5m3/h

圖12 流速為4.5m3/h

圖13 流速1.5m3/h，進口水溫26℃

由圖9～圖13可知，當循環流體流速分別為0.5 m/h，1..5 m/h，2.5 m/h，3.5 m/h，4.5 m/h逐漸增加時，系統進水溫度一定，設定為26℃，出水口溫度逐漸升高。假設以穩定進口流速工作，不同流速各自工作一小時，出口溫度及換熱量模擬數據繪制如圖14、圖15。

圖14 出口溫度隨循環體流速變化圖

圖15 換熱量隨循環體流速變化圖

由圖14、圖15可知，當循環流體流速逐漸增加時，出口溫度逐漸增大，溫差減小，但因為流速大，循環水體流量大，所以整體上系統的換熱量仍處于增加趨勢。而且可以看出，當流速較小時，流速的增加，系統換熱能力顯著增加，當流量增加到一定程度，換熱量增加的趨勢逐漸變緩并趨于穩定。而對于地源熱泵系統，流量越大，循環水泵功耗也就越大，系統功耗也越大。所以循環體流速對地埋管換熱器換熱效率影響很大，但并非流速越大，系統就越節能，要根據實際需求及系統需要的出水溫度，結合系統功耗及換熱量，比較換熱量和水泵功耗，確定最合理的循環體流速，以保證系統在最節能的方式下正常穩定運行。由分析可知，進水流速達到3.5m/h，系統換熱量基本穩定，最適宜的入口流速區推薦在1.3m/h～2.3m/h。

4.2 U型管進口水溫

因為單U型地埋管換熱器進口水溫不同會直接影響系統在地下的換熱量，所以在確定系統的進水口流速情況下，分別設置不同的進水溫度，根據已驗證的COMSOL模型，得到各個不同進口水溫條件下，進出口溫度分布圖17～圖20。

由圖13，圖16～圖19可知，當循環水流速一定時，換熱系統分別以22℃、26℃、30℃、34℃、38℃的進口水溫工作，出口水溫也有較大差別，為逐漸升高趨勢。假設系統以1.5m/h的進口流速下穩定運行一小時，由模型計算，可得出口溫度及換熱量在不同進口水溫下的變化如圖20、圖21。

圖16 進口水溫22℃

圖17 進口水溫30℃

圖18 進口水溫34℃

圖19 進口水溫38℃

圖20 出口溫度隨循環水進口溫度變化圖

圖21 換熱量隨循環水進口溫度變化圖

由圖20、圖21可知，當循環水進口水溫逐漸增大時，出口水溫隨之增大，換熱量也逐漸增大，但增大趨勢明顯減小，由此可知進口溫度的高低對地下換熱系統的性能具有較大影響。而且系統的換熱能力是受到實際條件限制的，夏季制冷工況，過高的進水溫度，會使出水溫度更高，系統的制冷效率降低，熱泵機組效率下降。當地埋管出口水溫超過熱泵機組進口水溫時，則會導致機組停機保護，甚至可能會使地下土壤層造成“熱堆積”現象，對環境和周圍生態平衡造成損害。因此，換熱器內循環水進口溫度的選擇應該綜合考慮系統換熱量及熱泵機組的性能等因素，在滿足系統正常穩定運行的前提下確定最佳的循環流體進口溫度。由分析可知，進水溫度達到37℃，換熱量基本不變，最適宜的進水溫度區推薦在26℃～30℃。

5 結論

①進口流速和進水溫度對地埋管換熱器換熱量都有很大影響。隨著流速增大，進水溫度升高，換熱量總體上呈現上升趨勢，最后分別在進口流速3.5 m/h，進水溫度37℃時達到穩定。

②當循環水進口流速不同時，流速越大，系統的出水溫度越大，換熱量越大，但加大流速會增加水泵的功耗，所以進口流速在 1.3m/h～2.3m/h范圍內時，換熱量增幅最大，換熱效率最高。

③當進水溫度不同時，進水溫度越高，系統的出水溫度也越高，換熱量隨之增大，但過高溫度會使熱泵制冷效率下降，所以進水溫度應控制在26℃～30℃，此時系統換熱效率最高。