1土壤源热泵系统地下埋管管型对换热的影响 技术规范.docx

土壤源热泵系统地下埋管管型对换热的影响来源：全国地源热泵网日期：2011-08-19点击：次陈萌 官燕玲（长安大学 环境科学与工程学院 西安 710055）摘要：为了增强土壤源热泵系统地下埋管换热器的换热性能，本文通过CFD方法，探讨了将土壤源热泵系统的地下埋管由光管改为波纹管对地下换热所产生的影响，并分析了其对周围土壤温度分布规律的影响，提出改变U型管壁面形状是增强换热的又一途径。关键词：土壤源热泵；波纹管； 地埋管换热器引言地下埋管换热器是土壤源热泵系统的核心部分，是增强土壤源热泵系统性能的关键。如何提高地下埋管换热器的换热效率，是地源热泵研究与发展的核心问题之一。国内外学者从各个方面对于这个问题做了大量的研究1-7。本文首次提出，通过改变U型管的管体形状，既用波纹管代替常规的光管来寻找强化地下埋管换热器的换热性能的新途径。本文针对西安地区的气候与土壤条件，创建了地下单根U型埋管模型，将管中流体与土壤耦合在一起，进行了冬、夏两季的换热数值模拟。通过比较光滑管与波纹管系统地运行热工参数，得到波纹管系统可增强换热的结论，并提出进一步研究的方向。1 U型管外形的提出与建立传统的地埋管换热研究都是基于光滑U型管，通过改变U型管不同的布置方式，如垂直或水平6；改变U型管的数量，如一孔单管或一孔双管5；或是改进回填土的导热性能7等来达到优化换热的目的。这些方法都从不同方面研究了强化换热，取得了一定的成效。但它们都是从地埋管外土壤侧进行了研究，而埋管壁和U型管内的流体的强化传热没有得到充分考虑。根据传热学原理：影响换热器传热效果的因素主要取决与内外传热介质的热物理性质，流体介质的流态以及传热界面的几何因素等8。改变U型管壁面形状就是从后二者入手分析提高换热效率的方法。波纹管较之于光滑管，即可以增大单位长度的换热面积，而且可以增加管内流体的扰动，增强湍流度。因此，依据此原理建立了波纹管外形模型，见图1。2 光滑U型管和波纹U型管传热模型的建立及其CFD模拟2.1 几何模型模拟对象为埋入土壤内的U型换热管，见图2。坐标如图所示，模型中心（0，0，0）位于U型管底部弯管的圆心处。图3为图2中的A-A剖面图；图4为回填土与U型管尺寸大小和相对位置图。表1为计算区域及性质。本文暂不考虑土壤中气体及液体对换热性的影响，即认为土壤为固体物质而非多孔体。本文利用Gambit进行网格化分，所有区域利用TGrid网格进行划分，网格大小为土壤区域为2m；回填土区域为0.1m；U型埋管为0.015m。划分后的网格见图58。2.2 物理模型及边界条件在求解前考虑到地埋管换热器与土壤换热的复杂性，减少网格数量和求解的复杂性，进行了必要的假设，假设条件如下：1. 假设土壤是均匀的，并且在整个传热过程中土壤的热物性不变；2. 不考虑土壤中水分迁移的影响；3. 忽略土壤温度沿深度方向的变化，初始土壤温度取土壤边界处的恒定温度；4. 忽略U型管管壁与回填土，回填土与土壤的接触热阻。在FLUENT中把算法设为Separated(分离)。控制方程采用紊流的连续性方程、能量方程和动量方程。紊流模型采用标准的standard k-（标准）模型。初始条件及边界条件的设置： U 型管内介质为水，流体的进口流速取0.4m/s，U型管材料取耐热聚乙烯材料。模拟工况分为夏季工况和冬季工况。夏季工况：U型管内流体进口温度取308K，室外大气计算温度取西安夏季室外一年内最热天日平均温度308.1 K；冬季工况：U型管内流体进口温度取280K，冬季室外大气计算温度取西安冬季室外采暖计算温度269.8 K。土壤初始温度取西安地区土壤下温度恒定值： 288.6K10。在与大气接触的界面采用对流换热边界条件， 按无风条件下自然对流换热情况， 对流传热系数近似取2 W /( m 2K) 8。土壤最外层边界视为恒壁温边界条件， 取土壤温度恒定值：288.6 K 。土壤底部边界条件采用对称边界条件，即视此边界为零通量。回填土与土壤交界面采用耦合边界条件。固体材料的物性见表2。注：材料热物性所采用的数据参数见参考文献11、12。3 模拟结果及其分析3.1 两种管型换热的模拟结果基于上述数学模型、物理模型和边界条件，对光滑U型管和波纹光滑管分别进行了夏季工况和冬季工况的数值模拟。收敛后，选取模型中有代表性的断面进行温度云图绘制。Z=0m处的夏季工况见图9， Z=0m处的冬季工况见图10。从图9，图10所示，波纹型埋管和光滑型埋管在土壤中的换热，直观上看，土壤中和换热管内的温度分布形状呈相似状态。以下，将从数值角度来对其区别进行分析。3.2 在相同条件下，两种类型U型换热管进出、口温度的比较夏季工况下，光滑管的进、出水温度分别为：308K、307.89452K，温差为：0.10548K；波纹管的进、出水温度分别为： 3 0 8 K 、307.88863K，温差为：0.11137K；波纹管的温差比光滑管高0.00589K，即将近5.6%。冬季工况下，光滑管的进、出水温度分别为：280K、208.04336K，温差为：0.04336K；波纹管的进、出水温温度分别为：280K、280.04613K，温差为：0.04613K；波纹管的温差比光滑管高0.00277K，即将近6.5%。由此可以看出，在下同条件下，波纹管换热器的换热效率可以比光滑管高出6%左右。由于模拟实验条件的限制，本文仅对埋深20m的单根换热管进行了模拟，在实际情况中，笔者判断其换热效率提高率会有进一步的增加。3.3 埋有两种类型U型换热管的土壤温度分布的比较图11，图12显示了土壤中，一定深处通过U型管的水平方向温度分布的数值图。来反映U型管在工作时，水平方向的温度变化。图11、图12显示了在地表面下7m处夏季和在地表面下12m处冬季水平方向的土壤的温度分布。如图1 1中所示，夏季工况下，在温度为2.98e+02K处，X方向-2,2范围内，埋有波纹管的土壤温度散点较埋有光滑管的土壤温度更为扩散。图12所示为冬季工况，从图中可以看出，在温度为2.84e+02K处，X方向在-1，1范围内，埋有波纹管的土壤温度较埋有光滑管的土壤温度更为扩散。图13，图14是土壤中点（1，7，0）至点（1，22，0）两点连线上的温度分布线图，既通过U型管，水平距离1m处，深度由7m到20m的一个线断。从图中可以看出，夏季工况：据埋管1m处埋有波纹管的土壤温度整体高于光滑管；冬季工况：埋有波纹管的土壤温度则整体低于光滑管。说明对于土壤温度传导的影响，波纹管比光滑管更明显。3.4 在相同条件下，对两种模型中土壤温度衰减的分析为了反映U型管水平方向温度的变化，取X,Y（Z=0）截面，在距土壤表面17m深度处沿X正向取若干点，进行温度分布比较，详见表3、表4。表3，表4中TX表示各检测点的温度值偏离土壤恒温面温度的大小，表示各检测点的温度值偏离土壤恒温面温度的程度。分析表3可知，在冬季工况下，土壤横壁温处温度为288.6K，U型管内流体进口温度为280K,相差表4 分别埋有光滑管、波纹管的土壤中夏季工况温度分布8.6K。在靠近U型管壁处温度升高较大，以后升高幅度逐渐变小，参见图15。在距U型管外壁0.85米处，埋有光滑管土壤温度为横壁温处温度的98.53%，埋有波纹管土壤温度为横壁温处温度的98.4%；在2.85米处，埋有光滑管土壤温度为横壁温处温度的99.27%，埋有波纹管土壤温度为横壁温处温度的99.2%。分析表4 可知，夏季工况下，土壤横壁温处温度为288.6K ，U型管内流体进口温度为308K，相差19.4K。在靠近U型管壁处温度下降较大，以后下降逐渐变小，参见图16。在距U型管外壁3.85m处，埋有光滑管土壤温度为横壁温处温度的98.8% ，埋有波纹管土壤温度为横壁温处温度的98.69%；在4.85m处，埋有光滑管土壤温度为横壁温处温度的99.15%，埋有波纹管土壤温度为横壁温处温度的99.07%。4 结论经过分析比较可以看出，波纹形状U型地埋管相对于光滑管显示出了更好的传热性能，是一种值得考虑的提高土壤源热泵性能的新途