管間距對土壤源熱泵換熱效果的影響

尹春亞

沈陽建筑大學市政與環境工程學院（110168）

0 引言

地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，地源熱泵作為冷熱源系統具有綠色和高效兩大優點，因而得到了廣泛的應用[1]。然而取放熱的收支不平衡導致長期運行后，作為冷熱源的埋管周圍土壤溫度會逐年降低而形成能量堆積，最終導致地源熱泵機組運行效率降低，從而失去土壤源熱泵具有的節能優勢[2]。埋管區域土壤吸放熱量差和鉆孔間距是造成換熱效果下降最主要的因素。土壤吸放熱量差異雖然是造成土壤熱堆積問題的根本原因，但對于特定項目是不易改變的客觀因素，而鉆孔間距作為另一個重要參數在設計時可以靈活改變，且鉆孔間距設置是否合理對埋管區域土壤熱堆積問題有很大影響[3]。在條件允許的情況下，可以適當增大管間距來緩解土壤熱干擾的問題[4]。增大鉆孔間距可以減少土壤溫度變化幅度[5]。文章選用有限長線熱源模型，通過建立地源熱泵傳熱模型，用數值模擬方法討論了不同管間距對地埋管換熱器工作性能的分析。以夏季工況為研究工況，模擬了夏季運行2個月的工作情況。分別模擬了均勻土壤模型和考慮土壤分層的條件下4 m、5 m、6 m、7 m管間距，土壤做分層處理時，假設土壤上部30 m是砂，下部50 m是泥。分析地源熱泵夏季運行工況運行30 d和運行60 d后土壤溫度變化情況。對土壤源熱泵工程設計中鉆孔間距對地埋管傳熱的影響進行研究，為土壤源熱泵系統的設計與研究提供理論依據[6]。

1 模型的建立

采用等效直徑模型對其進行模擬計算，U型管單根等效直徑為40 mm，采用非均勻負荷數值模型考慮流體從埋管上部流入、下部流出。

假設土壤結構均勻，土壤中砂或泥的熱傳導公式通過下式計算:

其中，λk，ρk和cp，k分別表示砂（k=s）和泥（k=n）的導熱系數（W/m·℃）、密度（kg/m3）以及比熱容（J/kg·℃）。

模擬采用絕熱邊界條件，考慮到埋管傳熱過程有一定輻射范圍，固將模擬區域設置地較大，防止邊界溫度變化。模擬工況詳細參數:水以15℃為特征溫度，導熱系數為0.587 W/(m2·K)，比熱容為4.217 kJ/kg·℃)，密度為1 000 kg/m3。土壤溫度均勻為15.6℃。土壤的主要成分為砂與泥的混合物，其中砂的導熱系數為1.587 W/(m·K)，比熱容為1.798 kJ/(kg·℃)，密度為1 285 kg/m3；在泥的導熱系數為0.682 W/(m·K)時，比熱容為1.439 kJ/kg·℃)，密度為1 430 kg/m3。在文章中均勻土壤假設土壤的主要成分唯一為砂，分層土壤假設土壤上部30 m是砂，下部50 m是泥，分別討論不同管間距對換熱性能影響。入水口水溫為25℃，鉆孔深度80 m。因管壁導熱系數遠大于混合物土壤的導熱系數，故忽略了管壁的熱阻。

2 模擬結果分析

本節以夏季工況為研究工況，模擬了均勻土壤和分層土壤在管間距分別為4 m、5 m、6 m、7 m時夏季工況運行30 d的土壤溫度變化情況。

管間距為4 m土壤未分層時當運行達到30 d，管間熱干擾現象明顯，管間土壤溫度基本與入水口溫度一致，此時埋管傳熱影響周圍2 m土壤。當夏季工況結束時，管間土壤已與進口水溫一致，埋管最大影響范圍確定為3.5 m。土壤分層運行達到30 d時，兩管間發生明顯熱干擾，此時熱分層現象開始模糊。當夏季工況結束時，管間熱干擾現象強烈，熱分層現象幾乎消失，這是因為土壤溫度場達到穩態，管間與管側導熱現象發展充分，管間土壤溫度明顯高于管側土壤溫度，管間土壤溫度為19℃。當管間距增加為5 m時埋管傳熱影響周圍1.7 m土壤。埋管最大影響范圍確定為4.8 m。當夏季工況結束時，管間土壤溫度為18℃。管間距為6 m時管間土壤溫度16.4℃。當夏季工況結束時，管間熱干擾現象加強，管間土壤溫度明顯高于管側土壤溫度，管間土壤溫度為17.3℃。土壤分層運行前期溫度分層明顯。當夏季工況結束時，管間土壤溫度為17℃。土壤未分層當運行達到30 d時，管間土壤溫度16℃。當夏季工況結束時，管間熱干擾現象加強，管間土壤溫度明顯高于管側土壤溫度，管間土壤溫度為17℃。管間距7 m時，相鄰兩管周圍分層土壤溫度變化趨勢。當運行達到30 d時兩管間未發生熱干擾現象，且溫度分層明顯。運行達到60 d時，兩管間開始發生熱干擾，當夏季工況結束時，管間土壤溫度為16.8℃。

分析可知當地埋管間距4 m時，在運行初期，土壤平均溫度上升較慢，經過約200 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結束時土壤平均溫度達到18.3℃。分層土壤平均溫度在運行初期，土壤平均溫度上升較慢，經過約160 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結束時土壤平均溫度達到18.15℃。與未分層土壤相比較，溫度上升的轉折點發生更早，而土壤平均溫度相差0.05℃，由此可以證明兩種模型在傳熱現象充分發展的前提下可以達到一致結果。地埋管間距5 m時夏季工況土壤平均溫度變化曲線，在運行初期，土壤平均溫度上升較慢，經過約120 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結束時土壤平均溫度達到19.2℃。地埋管間距5 m時經過約100 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結束時土壤平均溫度達到19.15℃。與均勻土壤材料相比，當溫度場達到穩態時，土壤平均溫度略低。地埋管間距6 m時經過約90 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結束時土壤平均溫度達到20.4℃。土壤分層在夏季工況運行結束時土壤平均溫度達到20.3℃。地埋管間距7 m時經過約50 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結束時土壤平均溫度達到21.6℃。土壤分層時經過約10 h運行后，土壤溫度基本成線性上升。在夏季工況運行結束時土壤平均溫度達到21.61℃。

3 結論

綜上模擬結果，由于模擬區域體積大小相等，所以當管間距較小時管間會產生明顯的熱干擾現象，而熱干擾現象會降低換熱效率，導致夏季工況結束時最終土壤平均溫度較低。此外，當土壤溫度呈線性增長時溫度上升最快，所以減少溫度平緩上升時間也有助于土壤溫度升高，從這個角度來看管間距越大越好。而事實上，當管間距從4 m增加到6 m是土壤最終平均溫度上升明顯，而當管間距增加到7 m時土壤平均溫度上升速度減緩，綜合考慮投資和土地有效利用率，在此模擬工況下，管間距為6 m是最佳選擇。根據分層土壤結構模型與均勻土壤結構模型模擬結果可知，當傳熱效果未充分發展時，土壤溫度場分層明顯，當傳熱充分時，兩種傳熱模型的最終平均土壤溫度基本相同。此外分層土壤結構中土壤溫度上升轉折點更早出現，但最終土壤平均溫度往往低于均質模型。當研究溫度場分層現象對地源熱泵效率影響問題時，分層土壤模型能帶來更清晰明顯的結果。類比均勻土壤模型，當采用分層土壤結構模型仍能得到6 m管間距是最佳管間距離。