不同運行模式下中深層地埋管換熱器取熱特性

1 概述

為降低建筑能耗，可再生能源在建筑供暖及供冷中得到了廣泛應用

。地熱能資源豐富，具有分布廣、清潔環保、儲量大、穩定可靠等特點

，在建筑領域地熱能開發利用中，淺層地埋管地源熱泵系統應用較為廣泛

，但對空調系統全年冷熱負荷平衡度要求比較高

，且地埋管換熱器占地面積大。

近年來，中深層地埋管地源熱泵系統逐漸成為新興的地熱能利用形式，地埋管換熱器占地面積小，對空調系統全年冷熱負荷平衡度要求低，取熱性能穩定

。Song等人

建立了中深層套管式地埋管換熱器數值傳熱模型，研究結果表明，制熱工況下，系統運行初期出水溫度下降比較快，并且增大內管的熱阻能夠有效減少流體熱損失。Liu等人

研究表明，循環介質流量對中深層地埋管換熱器管內流體的熱損失影響比較大，當流量從41.39 m

/h下降到4.52 m

/h，熱損失率從25.5%增加到63.7%。Chen等人

采用OpenGeoSys軟件對中深層地埋管換熱器的取熱性能進行了模擬研究，并指出當地溫梯度為0.03 ℃/m時，長期運行下的單位鉆孔深度換熱量不宜大于125 W/m。Cai等人

模擬了中深層地埋管地源熱泵系統的4種間歇運行方式，結果表明，不同運行方式下的地埋管換熱器出口溫降比例不超過3.57%。Liu等人

對影響地埋管換熱器性能的12種參數進行了詳細分析，并提出長期運行下單位鉆孔深度換熱量為142 W/m，循環介質進口流速宜為0.7 m/s。孔彥龍等人

采用OpenGeoSys軟件對鉆孔換熱量進行了評估，建議在實際工程設計中單位鉆孔深度換熱量不宜大于150 W/m。Morgan等人

、Fang等人

運用有限差分法建立數值傳熱模型，對地埋管換熱器取熱特性進行研究，并分析了影響地埋管換熱器取熱性能的主要因素。

由以上內容可知，目前的研究對間歇運行模式的研究比較少。考慮到中深層地埋管地源熱泵系統常應用于不同類型的建筑供暖，單一運行模式下的研究結果不宜直接指導其他運行模式下的設計。為此，有必要研究在不同運行模式(運停比)下中深層地埋管換熱器的取熱特性。

本文建立中深層套管式地埋管換熱器數值傳熱模型，對不同運停比下地埋管換熱器連續運行15個供暖期的出水溫度、熱損失率進行模擬分析。運停比分別設置為24∶0、16∶8、12∶12、8∶16，需要說明的是，運停比并不是嚴格意義上的比值，僅表示一日中開停機時間的分配。除運停比24∶0為地埋管換熱器24 h運行外，其余運停比的地埋管換熱器均從9:00開始運行。地埋管換熱器供暖期(當年11月15日至次年3月15日)運行，其他時間停機，停機期間巖土處于熱恢復期。

將妊娠期高血壓患者劃分為實驗組與常規組，根據患者干預方法分組結果為實驗組231例，平均年齡（28.4±4.4）歲，血壓范圍（135～200）/（90～130）mmHg；常規組227例，平均年齡（27.1±6.1）歲，血壓范圍（135～200）/（90～130）mmHg。常規組與實驗組患者的多項臨床資料比較，差異不具有統計學意義（P＞0.05），兩組患者具有可比性。

2 數值模型

2.1 物理模型

中深層套管式地埋管換熱器物理模型見圖1。由圖1可知，循環介質(水)采取外進內出方式：由外管環腔流入地埋管換熱器，經中深層的高溫巖土加熱后通過內管流出地埋管換熱器。

中深層套管式地埋管換熱器的傳熱過程復雜，且地下巖土環境具有不確定性，因此進行以下設定：忽略地下滲流作用的影響，將巖土中傳熱視為單純的導熱問題

。忽略地表溫度波動的影響

。設定數值模擬區域的徑向邊界處的溫度分布不受地埋管換熱器的影響。忽略地埋管換熱器內軸向導熱。忽略接觸熱阻。

2.2 控制方程

每層巖土的導熱方程為

：

在脊柱一側加臨時固定棒，先截未加固定棒一側。若截胸椎，要截除肋骨頭，從側面向中間逐漸截除椎體，然后截除椎體前壁，注意保護椎體前方的組織結構。當足夠的椎體骨質被去除后，最后截除椎體后壁，在這之前后壁可用于保護后方的硬膜。然后用預彎的臨時棒固定截骨側，移除另一側的釘棒；用同樣的方法截除另一側的椎體，完全截除椎體和鄰近椎間盤后，把釘棒重新固定。先稍松開固定棒的螺釘，緩慢縮小截骨節段上下椎體間隙，然后折彎替換固定的臨時棒，逐漸使棒達到預期矯形的角度。椎體間隙的壓縮，要在硬膜囊不被皺折的范圍內進行。

(1)

式中

——巖土熱擴散率，m

/s

——巖土溫度，℃

——時間，s

——徑向長度，m

——豎直方向長度，m

外管循環水的能量方程為：

(2)

=

式中

——外管單位長度熱容量，J/(m·K)

為了驗證模型的準確性，我們對西安市某住宅工程進行了現場實測

。在2019—2020年供暖期，共監測了某地熱井1 100 h的進出口溫度，測試期間單個鉆孔的平均換熱功率為270 kW，循環水平均質量流量為25.5 t/h，地埋管換熱器進出水溫差約9.2 ℃，熱泵機組的平均制熱性能系數達4.7。

——內管循環水溫度，℃

——內外管循環水間熱阻，(m·K)/W

——鉆孔壁溫度，℃

——循環水的質量流量，kg/s

——循環水的熱容流量，W/K

——外管內直徑，m

空間自相關分析基于相關指標來測度要素在空間分布上是否呈現聚集性從全域空間自相關、局部空間自相關兩個方面進行分析。

——內管外直徑，m

-1

——第

-1層巖土層的底部坐標，m

——循環水的比定壓熱容，J/(kg·K)

——外管外直徑，m

——外管的密度，kg/m

——外管的比熱容，J/(kg·K)

2007年中國開始推行綠色金融政策以來，綠色金融在國內逐步興起并在2015年進入快速發展過程。綠色金融是指為支持環境改善、應對氣候變化和資源節約高效利用的經濟活動，即對環保、節能、清潔能源、綠色交通、綠色建筑等領域的項目投融資、項目運營、風險管理等所提供的金融服務（中國人民銀行等，2016），綠色金融本質仍是金融體系下的一個新領域。因此，綠色金融可以利用有關金融體系支持新興產業發展的相關研究中存在的影響因子來研究其對生態產業的作用。

——鉆孔壁的直徑，m

——回填材料的密度，kg/m

統一的管理模式確保在“大數據分析項目”中能有共同的標準、相同的方法和工具，這些數據推動著所有重要的決定，而本土的模式則能提高分析的速度，并確保商業決策者能獲得這些見解。

——回填材料的比熱容，J/(kg·K)

以露地種植為對照，露地種植平均商品率平均為67.17%，秸稈覆蓋帶狀種植平均商品率為65.44%，較對照低1.73個百分點；膜上覆土種植平均商品率為66.11%，比對照低1.06個百分點；黑色全膜雙壟壟側種植平均商品率為67.7%，比對照高0.53個百分點；黑色全膜大壟面種植平均商品率為72.99%，比對照高5.82個百分點；可降解地膜大壟種植平均商品率為77.6%，比對照高10.43個百分點。

——外管循環水與鉆孔壁間熱阻，(m·K)/W

發網CEO李平義表示，“雙11”印證了發網的發展變遷，歷經9年雙11考驗，發網已形成一套精細化、系統化、體系化的服務體系，能夠對整個作業流程和環節進行精細嚴格的管控，將所有業務所觸及的每一個環節系統化地進行管理。通過運用人機互聯、設備互聯技術實現倉庫內的設備、貨物和人的數字化。通過引進RFID、AGV、自動存儲等模組化的柔性智能設備提升了大規模作業效率和訂單處理能力。用穩定的I T系統為雙11保駕護航。（李冰漪）

——內管的比熱容，J/(kg·K)

在下一節比較震源模型之前，我們先對KiK－Net－BH數據得到的與GPS內插的同震位移進行比較。這兩種數據集之間偏差位移矢量的均方根為0.47m，相當于KiKNet－BH 絕對位移矢量（1.25m）均方根的37%。因此，假設大的同震位移與MW9.0東北地震有關，這兩種數據集就會非常相似，并提供獨立的觀測點，這可能對下面介紹的震源模型有影響。

伊秉綬：陰勝國[29]從清初隸書家審美觀念的對比中探討伊秉綬的審美思想，認為伊秉綏的書學思想有3個要點：①取法雄強寬博、靜穆方正風格的漢碑；②用筆的中實簡省與結體的方正更易；③追求靜穆而不失古拙的氣息。總之，伊秉綏在審美觀念的指引下，憑借自足的勇氣和氣魄，銳意進取，將隸書革新到底，成功的塑造了崇尚古樸和趨拙避巧的藝術形象，對后來碑派書法的發展產生了深遠的影響。

(3)

式中

——內管單位長度熱容量，J/(m·K)

——內管內直徑，m

——內管的密度，kg/m

內管循環水的能量方程為：

式(2)、(3)描述的是在地埋管換熱器正常取熱工況下的能量方程。當地埋管換熱器停運時，內外管循環水的流速為零，此時地埋管周圍巖土處于熱恢復狀態，循環水的熱容流量

為0。

外管循環水與鉆孔壁間熱阻

、內外管循環水間熱阻

的計算式分別為：

圓柱坐標的徑向邊界、鉆孔底部的溫度分布不受地埋管換熱器的影響。地表與空氣存在對流傳熱，并設定地表空氣溫度、表面換熱系數保持不變

。

——外管熱導率，W/(m·K)

——回填材料熱導率，W/(m·K)

——內管內壁表面傳熱系數，W/(m

·K)

——內管熱導率，W/(m·K)

2.3 初始及邊界條件

巖土的初始溫度分布在徑向是均勻的，而在縱向存在地溫梯度，并且不同巖土層的地溫梯度不同。因此，在大地熱流一定的條件下，任一深度的初始巖土溫度可表達為

：

建立貨幣資金業務的授權審批制度，對貨幣資金業務中的審批人職責范圍、審批方式、審批程序及審批責任進行明確，不得隨意越權，同時要相互監督。根據授權審批相關制度的規定，審批人要明確各自的審批權限和責任，在授權范圍內審批，不得越權審批，同時審批人要對審批事項進行詳細審核，并對各自審批意見負責。經辦人在職責范圍內，根據審批意見來辦理業務，對于審批人超越權限的審批，經辦人要拒絕辦理，同時要向上級授權部門報告。對于重要的資金支付業務，要實行集體決策和審批，并建立責任追究制度，防止各種違規事項的發生，防范資金風險，防止資金損失。

(4)

式中

——任一深度的初始巖土溫度，℃

此后，東芝宣布將出售核時代，并于2017年12月宣布韓國電力公司(Kepco)為優先競標人。但在英國政府2018年6月宣布將采用“受監管的資產基礎”(RAB)的項目融資模式后，東芝宣布取消韓電的優先談判權，為其他競標者留出機會。

——地表溫度，℃

——大地熱流，W/m

——地表的表面傳熱系數，W/(m

·K)

——巖土的分層數量

——第

層巖土層的熱導率，W/(m·K)

——第

層巖土層的底部坐標，m

——循環水的密度，kg/m

——第

層巖土層的熱導率，W/(m·K)

——第

層巖土層的底部坐標，m

-1

——第

-1層巖土層的底部坐標，m

式(4)中，當

=1時，

為地表高度(值為0)。

式中

——外管內壁、內管外壁表面傳熱系數，W/(m

·K)

而紅寶石與藍寶石主要的區別就在于，它們在各自生長的過程中捕獲的致色元素不同。紅寶石捕獲了元素鉻，呈紅色、紫紅色，藍寶石捕獲的是元素鐵和鈦。由于鐵和鈦在每個寶石中含量和比例不同，所以寶石生成之后呈現出的顏色深淺也不一樣。

邊界條件為：

(5)

=

,

=

(6)

式中

——熱泵蒸發器換熱功率，kW，本文取200 kW

——地埋管換熱器高度，m

3 模型求解與驗證

研究方法為對控制方程離散后編制程序求解。

3.1 模型求解

在非穩態數值傳熱模擬中，時間步長、縱向(

方向)步長、徑向(

方向)步長對模擬計算速度及結果精確度均有一定影響。

在網格劃分的過程中，考慮徑向較遠處熱流趨近于0，鉆孔附近的熱流及溫度梯度比較大，因此以鉆孔壁為界采用變步長(即徑向步長按照等比級數變化，等比系數取1.2

)。由無關性驗證結果可知，當網格節點數取7 700個時可滿足計算精度要求，即徑向共取40個節點，距離鉆孔壁第1個節點的距離為0.168 m，圓柱坐標的徑向邊界為119.1 m。縱向步長取10 m，時間步長取900 s。模擬所需的物理參數見表1，巖土層劃分及巖土熱物性參數

見表2。

可將中深層地埋管換熱器與周圍巖土的耦合傳熱問題視為圓柱體的二維瞬態導熱，式(1)～(6)構成了數值傳熱模型，并經過無關性驗證可采用有限差分法將上述控制方程進行離散求解。離散網格見圖2。

3.2 模型驗證

——外管循環水溫度，℃

將該地熱井運行參數導入模型，模擬地埋管換熱器進出口水溫。由模擬結果及實測結果

可知，二者的相對誤差在±6.0%之內，滿足工程要求。

4 結果與分析

4.1 出水溫度

在循環水初始溫度分別為35.6、36.5、36.9、37.8 ℃條件下，模擬4種運停比地埋管換熱器連續運行15個供暖期的出水溫度。4種運停比供暖期結束時地埋管換熱器的出水溫度見圖3。由圖3可知，隨著運行時間的延長，4種運停比(8∶16、12∶12、16∶8、24∶0)供暖期結束時地埋管換熱器的出水溫度逐年降低，前期溫降速率比較大，后期比較平穩。相同供暖期，供暖期結束時地埋管換熱器的出水溫度由高到低對應的運停比順序為：8∶16、12∶12、16∶8、24∶0，以第1個供暖期結束時地埋管換熱器的出水溫度為基準，第15個供暖期結束時地埋管換熱器的出水溫度分別下降2.18%、3.61%、5.23%、9.23%。由模擬結果可知，第15個供暖期末，運停比8∶16、12∶12、16∶8、24∶0對應的地埋管底部的循環水溫度分別為39.70、33.97、36.71、28.93 ℃。由以上分析可知，降低運停比有利于巖土熱恢復，提高熱泵機組的制熱性能。

（119）多瓣苔 Macvicaria ulophylla（Steph.）S.Hatt.馬俊改（2006）

4.2 熱損率

對于循環水采取外進內出方式的套管式地埋管換熱器，循環水由外管達到地埋管底部時，溫度達到最高，循環水的熱功率達到最大。循環水在由地埋管底部通過內管向上流動過程中發生熱損失，地埋管換熱器出口循環水熱功率為實際熱功率。因此，地埋管換熱器熱損失率

的表達式為：

式中

——地埋管換熱器熱損失率

——循環水實際熱功率，W

——循環水最大熱功率，W

——地埋管底部循環水溫度，℃

——地埋管出水溫度，℃

——地埋管進水溫度，℃

由模擬結果，計算得到運停比8∶16、12∶12、16∶8、24∶0對應的地埋管換熱器熱損失率分別為48.86%、50.07%、51.09%、52.40%。由計算結果可知，降低運停比有利于減小熱損失率。

5 結論

① 隨著運行時間的延長，4種運停比(8∶16、12∶12、16∶8、24∶0)供暖期結束時地埋管換熱器的出水溫度均逐年降低，前期溫降速率比較大，后期比較平穩。相同供暖期，供暖期結束時地埋管換熱器的出水溫度由高到低對應的運停比順序為：8∶16、12∶12、16∶8、24∶0，以第1個供暖期結束時地埋管換熱器的出水溫度為基準，第15個供暖期結束時地埋管換熱器的出水溫度分別下降2.18%、3.61%、5.23%、9.23%。由模擬結果可知，第15個供暖期末，運停比8∶16、12∶12、16∶8、24∶0對應的地埋管底部的循環水溫度分別為39.70、33.97、36.71、28.93 ℃。降低運停比有利于巖土熱恢復，提高熱泵機組的制熱性能。

② 運停比8∶16、12∶12、16∶8、24∶0對應的地埋管換熱器熱損失率分別為48.86%、50.07%、51.09%、52.40%。降低運停比有利于減小熱損失率。

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