地下换热器回填传热模拟分析

1、地下换热器回填传热模拟分析高青 李明 江彦 于鸣 乔广 简介：地下换热器与周围土壤间的空隙将严重影响地源热泵(GSHP)性能，因此，设计应用过程中必须重视换热器与周围土壤间的高效换热问题。本文利用传热模拟分析，研究地能利用中地下换热器缝隙回填对传热规律和特性的影响。探讨回填厚度、导热能力、及相对扩大井径等因素的影响。指出选择高导热系数的材料进行回填，将减少接触热阻，能有效提高系统的换热能力。研究表明，回填层厚度与传热能力增强基本呈线性递增关系。 关键字：地源热泵，地下换热器，回填 0前言地源热泵目前在国内外供热供冷工程中都得到了极大重视和发展，特别是欧美国家已经进入产业化发展阶段和逐步的大范围

2、应用示范阶段。由于地源热泵初投资大，限制了其在大、中型建筑工程中的应用。但是，随着人们环保和利用可再生能量资源意识的提高，人类将越来越重视开发新的能源形式和充分利用可再生能量资源。地能便是由地壳表层吸收太阳能辐射和地球内部变化而蓄积大量的再生能量。建筑及公用设施趋于使用更大的土壤源热泵系统，这需要多个井孔作为热交换场，钻孔费用占成本的很大一部分。由于土壤自身的换热能力是个很难确定的因素，设计者在确定整体井深时都趋于保守计算，以确保系统能正常运行，从而无形中加大了初投资。研究者们更加重视地下换热器的各种强化换热措施。其中减少接触热阻的换热井孔内缝隙回填成为增强传热的焦点问题。近年来，国外研究者对

3、缝隙回填技术做了一些研究工作。ZhangQiang1等通过现场进行导热系数的测量，对不同回填物导热系数影响作了评估。测试各种井内回填物（膨润土、石灰石粉、灌浆水泥和膨润土砂混物）对传热影响。StevenW.Carlson2通过实验对膨润土进行了传热研究，实验指出回填后瞬态传热可增强10%左右，总体地下换热提高25%左右。FrankJ.Lenarduzzi3等人也结合加拿大工程实验应用，对回填作用进行了实验和数据分析。已有的研究表明缝隙回填的重要作用和影响，开展该领域的研究是增强地下传热的有效手段之一。不过由于地下实验工程难度较大，情况各异，不便于有效测量。为此，本文利用模拟计算对缝隙回填影响地

4、下传热问题进行研究分析，探讨利用模拟仿真分析的解决方案和途径。近20年来，在地源热泵领域不断开展了模拟计算工作,模拟计算与分析一直作为一项有效的研究手段4-9，广泛应用于研究工作中。由于国内外开展系统的多热源模拟计算还较少，有待于开展基于群井大区域地能利用的相关研究工作。在缝隙回填影响地下传热研究中，一方面认识缝隙回填影响特性，另一方面进一步了解多热源群井区域系统土壤温度场的分布和交互作用，以及多元化因素关联关系。因此，该研究是一项具有重要应用价值和意义的工作，可以有效指导工程应用和实践。1计算模型1.1假设条件当仅考虑地下埋管换热对周围温度场的影响时，圆柱井模型是一种比线源模型更接近实际情况

5、，有代表性的理论模型，而且计算简便，可以作为地下换热器周遍土壤传热模型的基础。本文在求解土壤温度场时，采用柱热源传热模型8。模拟计算中的基本初始温度选择为12，并以供热工况从地下吸热过程为例进行计算。计算过程中假设可以忽略实际过程中存在的热短路现象；考虑到土壤实际温度变化范围较窄，可以忽略土壤导热系数、比热、密度等物性参数随温度的变化；地质构造各向同性。在实际系统运行过程中由于地下存在地下水，在发生换热现象时可能会伴随有热湿迁移现象，在模拟计算过程也没有充分考虑这一因素。作为群井模式的趋势性探讨，文中以热流密度的形式进行计算加载。1.2计算参数选择计算中土壤物性参数人为设定，按平均中性土壤特性

6、选取，导热系数2.5w/m，比热1500J/Kg，密度2500Kg/m3。由于土壤结构一般都具有较大的差别，不同深度的土壤差异性较大，在模拟计算中采用了综合平均数值的认定方式。实际应用中，由于受到地面尺寸的限制，一个建筑群能用于热泵地能应用的面积是受建筑环境条件的约束。通常以最小占地为前提。尽管大范围布井的井数较多，但由于存在对称性和影响共性，在模拟计算中只取代表性的区域为例。因此，选择可用空间为24m24m的用地面积。根据通常建设施工要求，实际可操作面积为16m16m（即井群布置内在空间范围）。在这一空间中我们选择顺排置井（简称：25#），即顺排正方形布置25口井，间距为4m4m。基本井径确

7、定为d=0.2m。具体布置情况如图1所示。1.3网格划分在计算中网格的大小对计算结果有较大影响，同时井壁的温度变化相对比较剧烈。为减小误差，研究者选择近井壁处的网格尺寸比较小，而远离井壁范围的尺寸较大。同时考虑到计算机资源和计算速度问题，通过试算选择近区网格的单元尺寸为5cm，而远区网格的单元尺寸为20cm。由于大范围布井具有高度的对称性，因此在计算分析中仅取1/4的区域进行计算即可。网格形式如图2所示。2计算结果及其分析2.1强化传热回填物作用钻孔置井后采用高导热回填材料填充是地下换热器装备过程中必须重视的问题。它可以保证换热系统的地下换热件与土壤良好的接触，增进换热性能。下面以图3、图4、

8、图5计算结果表征群井回填作用对地下换热的影响。图3、图4、图5计算情况均为顺排25布置，各井吸热负荷为10kW，初始温度12，连续运行至井壁处地温降至约定极限值0的地下温度分布。图3是井径d=0.20m，无缝隙回填情况；图4中井径d=0.20m，井壁周围采用强化导热回填材料回填（选择导热系数为土壤的3倍，7.5W/m），填充厚度=0.03m；图5中井径扩大到d=0.26m，相当于回填层外围直径，而无回填情况，由此分析缝隙填充作用和直接扩大井径效果的比较。计算中没有考虑无回填时的缝隙热阻的影响，因此回填作用是最保守的结果。图3情况（d=0.20m）连续运行75小时，输出总热量6.75107kJ。

9、图4系统（d=0.20m，=0.03m）连续运行112.5小时，输出总热量1.01108kJ。图5情况（d=0.26m）连续运行122.5小时，输出总热量1.10108kJ。由图3情况的计算结果可知，无回填层连续运行后，各井热源对周围温度场影响区域半径约为1.1m，影响区域以外的井间区域仍保持初始温度12，没有受到运行影响。采用高导热回填材料的情况下，在运行结束时的井源影响区域略微加大，未受换热影响区域面积相对缩小，如图4所示。显然，在相同的管径条件下，前者不具有回填层，后者管外有3cm良好导热材料组成的回填层。系统运行结束时，后者的运行时间由前者75小时延长至112.5小时，输出总热量增加5

10、0。图5采用相对扩大井径情况，温度分布情况与采用回填材料的系统差别很小，运行时间略有增加，基本接近。井径扩大量相当于回填材料的厚度时，运行时间延长至122.5小时，输出总热量增加到63。由此可知，对于采用高导热系数回填材料而言，井径的等量厚度放大尽管传热略有改善，但带来的大管径成本却明显增加。此外，计算结果也表明，缝隙回填对区域温度场有一定影响，从而决定群井排列和区域空间的地能利用程度。工程应用实际中，不可能使井壁与土壤完全充分地接触，缝隙始终存在，必须采用回填技术，实现传热能力地进一步加强。2.2不同回填厚度影响本研究又分别对=0.05m、=0.1m回填层情况进行了计算分析，计算结果如图6，

11、图7所示。显然，在相同的条件下（To=12,Q=10kW,d=0.20m），回填厚度由0.03m、0.05m、0.1m逐渐增加，连续运行时间也由112.5小时、137.5小时、202.5小时逐渐提高，换热量增加，各井的传热区域也略有扩大，温度场变化略趋平缓。统计各种厚度回填层连续运行时间的计算结果表明，随回填层厚度增加，传热能力明显增强，运行时间基本呈线性递增，如图8所示。在实际工程中，较厚的回填层有利于结构间隙的充分回填，但回填成本和井孔挖掘成本将明显提高。因此，合理选择回填层厚度将是一项具有较高的技术经济性的问题。另一方面，应该尽可能选择高导热性能的材料进行回填，提高导热能力，减少接触热阻，提高系统运行效能。3结束语通过对群井周围土壤温度