224 合肥地区垂直U型埋管换热器实验分析及模拟.doc

合肥地区垂直U型埋管换热器实验分析及模拟安徽建筑工业学院 胡宁 王晏平 李雪飞 汪志远摘要 本文选取60m深垂直U型埋管进行了理论分析，建立了垂直U型地埋管换热器以及周围土壤温度场的数学模型，并实验研究了合肥地区夏季典型气候条件下不同运行模式下地埋管换热器的换热性能以及换热器周围温度场的变化情况。最后利用有限元分析软件ANSYS软件对合肥地区地埋管换热器长期运行工况进行了模拟，给地源热泵的施工提供了一定的参考价值。关键词 地源热泵系统，垂直U型地埋管换热器，模拟，ANSYSExperimental and Simulant Study on Vertical U-TubeUnderground Heat Exchanger in Ground SourceHeat Pump System in HefeiAnhui University of Architecture Hu Ning Wang Yanping Li Xuefei Wang zhiyuanAbstracts A sixty meters Vertical U-tube heat exchanger was theoretically analysed in this paper,and a mathematic model of Vertical U-tube heat exchanger and the surround temperature field was established.It experimentally studies heat transfer performance of the Ground heat exchange(GHE) and the surround temperature distribution under different operation modes in the typical climate of Hefei. Last, the finite element analysis software ANSYS was used to simulate the long-time operation mode of the GHE, which affords reference to the construction of the GSHP system.Key words ground-source heat pump system; vertical U-tube underground heat exchangers; simulation; ANSYS1 前言地源热泵是以地表能为热源(或热汇)，通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低品位热能向高品位热能转移的热泵空调系统，是真正的“绿色能源”1。与传统空调系统相比，地源热泵空调系统主要区别在于增加了一个地热换热器，即地下埋管环路。因此，对地源热泵系统来说，其关键的就是地下埋管换热器，它的性能直接关系到整个系统的工作效率。以往的研究更多注重的是换热器本身的换热特性分析，对实验数据的依赖性比较大，特别是对于合肥这样全年供冷负荷大于供暖负荷地区，针对换热器周围土壤温度场以及系统长期运行工况的研究并不多，主要是由于以往的分析手段对系统长期运行工况没有很好的方法。但是对地源热泵来说，对系统长期运行工况的研究又是必须的。为此，本文在实验基础上通过有限元分析软件ANSYS对垂直U型埋管换热器的长期运行工况及其周围的土壤温度场进行模拟分析，确定每一时刻的埋管周围土壤温度分布情况，为埋地换热器的研究提供了一种新的途径，为实际工程提供一定的指导意义。2 理论分析2.1 物理模型的建立虽然地源热泵地埋管换热器在实际工程中有单U型、双U型以及W型等，但限于实验室条件，所以本文主要分析研究单U型埋管换热器的运行情况。在实际工程中换热器的钻孔直径一般为100200mm，而钻孔深度一般为40m200m2，所以钻孔直径相对钻孔深度来说显得很小，地埋管换热器与周围土壤换热过程可以视为U型管被置于半无限大的介质中与周围土壤进行热量的交换，基于此，本文将采用线热源模型进行理论分析。2.2 数学模型的建立（1）U型管管内流体的传热方程 （2-1）式中：U型管管内流体流速，m/s； ：U型管管内流体温度，； ：U型管管壁温度，； ：管内流体与管壁的对流换热系数，w/(m) ：流体密度，kg/m3； ：流体比热容，J/()。（2）U型管管壁的导热 （2-2）式中：管壁温度，；：管壁密度，kg/m3；：管壁比热容，J/()：管壁导热系数，w/(m)（3）回填材料的导热 （2-3）式中 ：回填材料温度，； ：回填材料密度，/m3； ：回填材料比热容，J/() ：回填材料导热系数，W/(m)（4）土壤的导热 （2-4）式中 ：土壤温度，； ：土壤密度，/m3； ：土壤比热容，J/()； ：土壤的导热系数，w/（m）（5）初始条件 t=0 , 式中，为土壤初始温度，（6）边界条件 盘管外壁与回填材料交界的边界条件： （2-5） （2-6） 回填材料与土壤交界的边界条件： （2-7） （2-8）远边界层边界条件 （2-9） （2-10）（7）流体进口条件 （2-11）3 实验分析笔者于2009年夏季在安徽建筑工业学院地源热泵实验室进行了一个夏季的实验测试，地埋管相对位置图1所示，其中A、B、C、D为运行井，1、2、3、4、5为测试井，实验时开启运行井A、B、C，A、B井深60米，C、D井深80米，测试井均为45米。图1 地埋管换热器相对位置图3.1 原始低温测试实验室建成并调试结束后，于7月1日到6日进行了原始地温测试。测试地温时，只开启温度采集仪，热泵机组不运行，通过埋设在测试井和运行井的铂电阻探头采集温度数据，所测数据如图2、3所示：图2 7月1日到6日室内外温度变化图图 3 7月1日室内外温度逐时变化图3.2 连续放热工况测试经过对系统的调试，综合系统压降等因素最后选取了一个较优流速作为实验流速。选取的流速为0.54m/s，测试结果绘制图表如下：图4连续运行地热换热器进出口温度变化图图5连续运行单位井深换热量变化图可以看出，埋管换热器进口水温和进出水温差随循环水流速的减小而相应增大，单位孔深换热量和系统制冷系数COP则随着流速减小而减小。图6连续运行系统COP和进出水温差变化图由图3、4、5可以看出，第5天的单位孔深换热量较之第1天减小了1.6W/m，测试期间，单位孔深换热量平均值为73.2W/m，系统制冷系数COP平均值为2.46。3.3 间歇放热工况测试2008年8月5号至12号进行了为期7天的间歇运行工况测试，测试方式为热泵系统白天开机，夜晚停机。在选定的0.54m/s流速情况下，系统在开停机比为1:2工况下运行，测试结果见图7、8、9。图7 日运行8h室内外平均温度变化图图8日运行8h地埋管进出口平均温度变化图9 日运行8h单位孔深换热量变化图图10 日运行8h系统COP和进出水温差由图可以看出，0.54m/s测试工况下单位孔深换热量与埋管换热器进口水温变化较大，其中平均单位孔深换热量最大值为74.7W/m，出现在8月14日；最小值为74W/m，出现在8月11日，平均单位孔深换热量为74.2W/m，系统平均制冷系数COP值为2.57；相比流速从0.63m/s变化到0.54m/s时各参数的变化幅度，当流速由0.54m/s降至0.45m/s时各参数变化幅度较小一些，日平均单位孔深换热量最大值为73.7W/m，最小值68W/m，系统运行期间平均单位孔深换热量为72.2W/m，系统平均制冷系数COP值为2.47。3.4 运行情况模拟由以上实验分析可知，同一流速下不同运行方式地埋管换热器和周围土壤的换热情况不一样，而地源热泵一个关键的问题就是经过一年运行后地埋管周围温度场是否发生变化，也就是说经过全年运行后向地下排入的热量是否和从地下取出的热量保持平衡，如果经过一个夏季的运行后土壤在过渡季节能恢复到运行前的情况那么地源热泵在全年运行时将会取得一个良好效果。本文模拟了地源热泵在运行一个夏季后周围土壤温度场的变化情况。图11a 土壤温度场分布（30天）图11b 土壤温度场分布（60天）图11 长期运行条件下换热器周围土壤温度场分布图12a 土壤温度场分布（30天）图12b土壤温度场分布（90天）图12 过渡季节的土壤温度分布图由图11、12可以看出，在供冷期结束后换热器周围土壤温度较高，随着过渡季节时间的推移，换热器周围土壤温度慢慢下降，并且可以看出开始一段时间温度下降的幅度比较大而且比较快，随着时间推移温度变化逐渐趋于平缓，最后趋于一致，这与理论上的分析一致。经过一个夏季的供冷运行后地埋管换热器周围土壤温度较运行前升高了1.4，由此可见对于南京这样供冷符合大于供热负荷的地区来说，地下存在一定热堆积现象。4 结语本文实验分析了合肥地区典型气候条件下地源热泵在连续和间歇运行工况下的各项性能指数，并且运用有限元分析软件ANSYS模拟了地源热泵在连续运行一个夏季后地埋管换热器周围土壤温度场的恢复和变化情况。结果表明在同一流速下，全天间歇运行模式下的地埋管换热器各项运行参数要高于全天连续运行模式下的各项参数；在经历一个夏季的运行后，地埋管换热器周围土壤温度升高