地埋管三维渗流模型的动态模拟分析

地埋管三维渗流模型的动态模拟分析

管水平u型管的嵌入深度通常为40.120m。对于埋在地下的地埋管换热器或土壤饱和部分的一部分，周围土壤的热传导和对称热交换通过热梯度和水梯度的共同过程来进行。对于地震波罗，由于水温和水梯度的共同作用，周围土壤的热传导和对称换热可以相互结合。在地下水流的情况下，地埋管和周围土壤之间的传统路线有两种。其中之一是多孔介质框架和间隙中的地下水流的热量。其次，地下水流引起的水平对称换热。这种多路式热机化学对地埋管的传统模型影响了地埋管的传统模式。因此，在这项工作中，我们可以通过文献中的埋地管热模型来分析地埋管热泵系统的运行性能。这类研究可以使地埋管的设计更准确、更优化，从而最大限度地降低地埋管地源热泵空调系统的投资和运营能耗。1在渗透机制下，地埋管换热器的模拟计算成本1.1埋地管道的结构和土壤物理条件为了研究地埋管在渗流型传热机制下的换热特性,将以地埋管地源热泵夏季空调工况为例进行模拟分析,基本模拟条件如表1所示.1.2计算边界值及边界值对比土壤是一个饱和的或部分饱和的含湿多孔介质体系,但对于地下水位线以下的埋管区域,埋管换热器周围的土壤已处于饱和状态,此时土壤热湿迁移耦合作用的影响已很弱,而地下水水平方向渗流的强弱成为对土壤传热的主要影响因素.为建立符合实际的渗流边界条件地埋管传热模型,考虑到地下水渗流流动过程的方向性,数值计算边界域采用方形,其截面如图1所示.考虑到计算条件限制以及本着分析地埋管传热特性为目的,计算模拟时间为2500h.要在数值模拟当中完全真实再现渗流工况下地埋管换热的无穷边界是不现实的,因此必须选择适当的边界值以保证在模拟计算中边界处不受地埋管取热或排热的干扰,也就是边界处的热状态不发生变化,满足定义无穷远边界的条件.正是地下水渗流方向性极大地影响着地埋管换热过程中热流传递方向,使得土壤中热量传递主要集中在渗流的方向上,在垂直于渗流方向上以导热模式传递热量为主,因而在图1中边界值L3可以采用导热机制下的无穷远边界值,上游边界值L1及下游边界值L2的设定则受地下水流较大的影响.存在地下渗流使得地下水流方向上游的冷热量不断地随着水的流动向下游传递,这与无渗流时土壤导热呈辐射状传热有很大的不同,使得上、下游土壤温度的变化强度呈现出不同的趋势,导致L1的取值将明显小于L2的取值.渗流条件传热受诸多因素的不同程度的影响,无穷远边界处的热扰动状态必然也随之变化.根据文献对无量纲边界热扰动因子的影响因素分析,为保证数值计算结果的正确可靠,需要根据模拟时间来选取适当的计算边界值.在大多数情形下,L1=500ro,L2=2000ro,L3=1250ro的计算边界值可以满足模拟地埋管空调季的换热要求.2地埋管传热性能与地埋管传热模型的比较目前,在现有设计方法的基础上大多数地源热泵设计人员只注意到了地埋管换热量应满足设计要求,但对于地埋管出口温度是否满足热泵机组高效运行则考虑极少或者忽略,因此设计结果具有一定的偏差和局限性.本文将基于地埋管流体出口温度,以文献定义的能效系数作为定量指标分析存在地下渗流时对埋管换热特性的影响.既然有地下渗流时存在对流换热的作用,地埋管热量传递过程与导热型模式就有明显的不同,作为反映地埋管换热品质的能效系数必将具备各自特点,如图2所示.图2表示在其它计算条件相同的情况下,有无地下渗流时地埋管能效系数随时间的变化趋势.从图2中可以看出,无论是否有地下水流的存在,在地埋管运行初始阶段,周围土壤的热量堆积从无到有,能效系数发生剧烈的变化,在短时间内迅速下降.当地埋管周围土壤的热堆积作用占主导地位时,能效系数均发生较小程度的变化,到一定阶段时,有无渗流的情形下能效系数变化趋势就表现出不一致.有渗流时,地埋管能效系数降低到一定值时就不再发生变化,换热能力趋于恒定,这与文献中渗流工况下的无量纲温度变化规律一致.无渗流时,地埋管换热器能效系数则一直逐步降低,换热能力持续缓慢降低.运行时间越长,两者之间的能效系数差值就越大,地埋管流体出口温度相差也越大,表明渗流能够消除或减弱热堆积效应.由此可见,若地埋管埋设在有渗流的土壤中而未考虑渗流的影响会带来很大的误差,致使埋管数量增加,初投资增大,影响该技术的推广应用,因此在地埋管换热器的设计和分析传热特性时应根据土壤情况区别对待.3地埋管换热器运行特性对于渗流型而言,最大不同之处就在于所在的土壤中存在地下水,具有热传导和热对流传热双重方式,既具有导热型传热特性的变换规律,又具备自身的换热特性和变化规律.基于此,将计算分析含地下水的土壤状态、换热负荷特性以及运行方式对地埋管能效特性的影响情况,可以进一步明确有渗流土壤中地埋管换热器的换热规律,从而为地埋管换热器的结构优化以及运行模式合理化奠定理论基础.3.1地下水流速测量的数、水力梯度模型在含水层中,影响地下水流速的有土壤孔隙率、渗透系数、水力梯度等诸多参数.在本文不展开讨论地下水流速的计算以及测量问题,只着重于土壤类型不同、地下水流速和来流温度改变时对地埋管换热特性所带来的影响.3.1.1地埋管与土壤传热过程中能效系数的变化规律选取砂砾、粉砂及石灰岩三种土壤进行对比分析,其各自的热物性参数见表2,相应的地埋管能效系数随时间变化规律如图3所示.从图3中可以看出,土壤类型对地埋管能效系数稳定时刻及数值有较明显的影响.地埋管来流进入到地埋管中与周围土壤进行换热初期,此时埋管周围的土壤无大量热量的累积,在同样的地埋管进水温度下,三种土壤类型的能效特性几乎无差别.随着流体与周围土壤的继续换热,周围土壤开始出现不同程度的热堆积效应,能效系数与前期相比有不同程度的降低.随着时间的推移,能效系数的变化逐渐趋于平缓,直至稳定.由于粉砂型土壤地下水流动较慢,在地埋管传热过程中地下水微元体与埋管周围土壤接触时间较长,埋设在该类型中的土壤先于砂砾型、石灰岩型土壤达到稳定状态,三者达到稳定传热状态的时间分别为270h,410h和450h.在地埋管与土壤传热过程中,由于不同土壤类型传递热量的能力、孔隙率及地下水流速不同,能效系数变化趋势开始不一致.在运行时间为1h的时刻,粉砂土壤的地埋管换热器能效系数为0.262,砂砾型、石灰岩型土壤分别为0.239和0.259;运行时间为100h的时刻,粉砂土壤的地埋管换热器能效系数为0.197,后两者分别为0.156和0.187.这主要是粉砂型土壤的孔隙率较大,土壤渗透率相应地也较大,有助于地埋管的换热,而砂砾型土壤中地下水流速、土壤导热系数均较石灰岩型土壤小,因而其能效系数在三者之中最小.可见,土壤孔隙率、渗透率及地下水流速越大,土壤换热能效系数就越高,地埋管流体出口温度越低,有利于热泵主机的高效运行,但趋于换热恒定的时间越长.3.1.2流速特征及其对能效系数的影响图4表示不同地下水来流速度条件下地埋管换热器能效系数随时间变化的情况,地下水流速v1分别为6.0E-06m/s,1.91E-06m/s和2.9E-07m/s,其余物性参数保持不变.从图4中可知,在换热初期,地埋管与周围土壤的传热是以热传导为主,三种工况下地埋管能效系数的变化呈相同的趋势.随着地埋管运行时间的增加,地下水的对流换热起主导作用,地埋管能效系数产生明显差异.虽然埋管周围的热堆积作用使得三者能效系数与前一时间段相比有不同程度的降低,地下水的来流速度越大,能效系数相对就越大.当地埋管运行一定时间后,三种流速工况下均趋于稳定,换热能效不再发生变化.但流速不同能效系数达到稳定所需要的时间是不同的,按流速从大到小分别为450h,380h和350h.可见地下水流速越大换热能力趋向稳定需要的时间就越长,这也是由于流速较大时,流体内各微元体与土壤导热的时间相对要短一些所导致的.另外,流速从6.0E-06m/s变化到1.91E-06m/s时,地埋管能效系数的增加量,与流速从1.91E-06m/s变化到2.9E-07m/s相比较,已在逐步减小,这主要是因为渗流能够减小热堆积效应,减小地埋管流体出口温度,但不能无限制地增强能效特性,可以预见随着地下水流速的增加,能效系数应该有一个极值.3.1.3地下水来流温度对地埋管性能的影响地下水储存在土壤中,与土壤的初始温度基本相同.选取地下水来流温度T1分别为20℃,17℃和14℃,图5表示对应地下水来流速度条件下地埋管能效系数随时间变化的情况.从图5中可以看出,三种工况在同一时刻的能效系数值没有不同之处.也就是说,地埋管能效系数并不取决于土壤地下水来流温度.当然,这并不能说明地下水来流温度对地埋管换热器的换热能力就没有影响,只是能效系数反映的是地埋管流体出口温度能够最大限度趋近于土壤初始温度的一个评价指标.当地下水来流温度越小时,如在地埋管运行到1000h的时刻,三种工况的地埋管能效系数均为0.183,相应的地下水来流温度为20℃,17℃和14℃的进出口水温度差分别为3.66℃,3.11℃和2.56℃.在一定的进水流速条件下,地下水来流温度越低,地埋管换热能力最强.3.2埋地管道的换热负荷对传热特性的影响3.2.1进水温度对地埋管效能系数的影响图6表示不同进水温度条件下,地埋管换热器能效随时间变化的情况,模拟运行工况是地埋管进水温度Tin分别为40℃,37℃和34℃.从图6中可以看出,地埋管能效系数的变化并不取决于地埋管进水温度,但进水温度越高,在沿U型地埋管行进时管内流体与周围土壤温差越大,在流量相同情况下,换热能力相对越强.3.2.2埋管流速对传热过程的影响图7表示地埋管内流体不同流速条件下地埋管换热器能效系数随时间变化情况,模拟工况下管内流体速度v分别为1.0m/s,0.8m/s和0.6m/s.从图7可看出,在换热运行初期,在同样的地埋管埋设深度条件下,埋管进水速度不同的地埋管中水流与周围土壤热交换的时间不同,排出的热量也有很大的不同.因而地埋管出水温度有较大差异,对应的地埋管换热器能效系数分布有较大的差别,能效系数随着流速增加而减小.随着运行时间增加,埋管周围土壤热堆积作用使得三者能效系数差异稳定不变,v越小能效系数越大,但流速不同能效系数达到稳定所需要的时间是不同的,分别为450h,510h和550h,可见埋管内流速越大,换热能力趋向稳定需要的时间就越长,这主要是流速不同时流体内各微元体与土壤导热的时间相对要短一些所导致的.3.3地埋管传热控制机制地埋管地源热泵系统连续运行时,地下水的流动能够及时地带走埋管周围多余的热量,有效削弱埋管周围土壤的热堆积作用,最终保证地埋管能效系数持续稳定.如果此时地埋管流体出口温度可能已超出热泵机组高效范围,地埋管连续运行的时间必须得到有效控制.为最大潜力地利用渗流土壤的蓄能和传热能力,可采用复合式地源热泵系统,保证地埋管周围土壤有一定的自然恢复期,使得地埋管流体出口温度能够最大限度地降低.目前,根据建筑功能和使用时间,土壤源热泵复合式系统大多采用日循环控制机制,地埋管的进口水温表现一定的以一天为周期的变化规律,如图8所示.图8表示典型的日循环周期时间条件下地埋管能效系数变化情况.日循环周期1工况是每天运行12h,停歇12h,时间比为1∶1;日循环周期2工况是每天运行8h,停歇16h,时间比为1∶2;日循环周期3工况是地埋管连续不间断运行.从图8中可以看出,循环周期工况的能效系数在空调运行时间段范围要高于连续运行的模式,每个循环周期内均是如此,而且在数值上的变化也是相同的.这主要是由于地下水渗流的存在使得地埋管周围土壤的温度能够恢复到土壤的初始温度,因而下一个周期为地埋管换热再一次完全重新开始,就这样周而复始.工况1恢复期短于工况2,达到完全回复到土壤初始能量平衡态时刻则有所推迟.在设计地埋管换热器系统时,应区别对待土壤中有无渗流,采取间歇运行模式,能够保证地埋管地源热泵系统的高效运行.4流体出口温度降低在有渗流土壤中地埋管换热器传热模型的基础上对影响渗流型地埋管换热器运行特性的主要因素,诸如土壤状态、换热负荷以及运行模式进行了分析与研究,可以得出如下结论.1)土壤存在渗流时,地埋管在排热或取热到一段时间后换热能效系数不变,地埋管流体出口温度可保持稳定,因此,