1、土壤源熱泵系統地下埋管管型對換熱的影響來源：全國地源熱泵網日期：2011-08-19點擊：次陳萌官燕玲(長安大學環境科學與工程學院西安710055)摘要：為了增強土壤源熱泵系統地下埋管換熱器的換熱性能，本文通過cfd方法， 探討了將土壤源熱泵系統的地下埋管由光管改為波紋管對地下換熱所產生的影響，并分 析了其對周圍土壤溫度分布規律的影響，提出改變u型管壁面形狀是增強換熱的又一途 徑。關鍵詞：土壤源熱泵；波紋管；地埋管換熱器引言地下埋管換熱器是土壤源熱泵系統的核心部分，是增強上壤源熱泵系統性能的關 鍵。如何提高地下埋管換熱器的換熱效率，是地源熱泵研究為發展的核心問題z-o國 內外學者從各個方面對于

2、這個問題做了大量的研究1-7。木文首次提出，通過改變u 型管的管體形狀，既用波紋管代替常規的光管來尋找強化地下埋管換熱器的換熱性能的 新途徑。木文針對西安地區的氣候與土壤條件，創建了地下單根u型埋管模型，將管中 流體為土壤耦合在一起，進行了冬、夏兩季的換熱數值模擬。通過比較光滑管為波紋管 系統地運行熱工參數，得到波紋管系統可增強換熱的結論，并提出進一步研究的方向。1u型管外形的提出與建立傳統的地埋管換熱研究都是棊丁光滑u型管，通過改變u型管不同的布置方式，如 垂直或水平6；改變u型管的數量，如一孔單管或一孔雙管5；或是改進回填土的導 熱性能7等來達到優化換熱的口的。這些方法都從不同方面研究了強

3、化換熱，取得了一 定的成效。但它們都是從地埋管外土壤側進行了研究，而埋管壁和u型管內的流體的強 化傳熱沒有得到充分考慮。根據傳熱學原理：影響換熱器傳熱效果的因素主要取決巧內 外傳熱介質的熱物理性質，流體介質的流態以及傳熱界面的兒何因索等8。改變u型管 壁面形狀就是從后二者入手分析提高換熱效率的方法。波紋管較z于光滑管，即可以增大單位氏度的換熱面積，而可以增加管內流體的擾動, 增強湍流度。因此，依據此原理建立了波紋管外形模型，見圖1。2光滑u型管和波紋u型管傳熱模型的建立及其cfd模擬2.1幾何模型模擬對彖為埋入土壤內的u型換熱管，見圖2。坐標如圖所示，模型 中心(0, 0, 0)位于u型管底部

4、彎管的圓心處。圖3為圖2中的a-a剖面圖；圖4為回填土與u型管尺寸大小和相對位置圖。表1 為計算區域及性質。本文愆不考慮土壤中氣體及液體對換熱性的影響，即認為土壤為固 體物質而非多孔體。本文利用gambit進行網格化分，所有區域利用tgrid網格進行劃分，網格大小為 土壤區域為2m；回填土區域為0.1m； u型埋管為0.015m。劃分后的網格見圖58。2. 2物理模型及邊界條件在求解前考慮到地埋管換熱器與土壤換熱的復雜性，減少網格數量和求解的復雜 性，進行了必要的假設，假設條件如下：1假設土壤是均勻的，并且在整個傳熱過程屮土壤的熱物性不變；2. 不考慮土壤屮水分遷移的彩響；3. 忽略土壤溫度沿

5、深度方向的變化，初始土壤溫度取土壤邊界處的恒定溫度；4. 忽略u型悖管壁與回填土，回填土與土壤的接觸熱阻。在fluent中把算法設為separated （分離）。控制方程采用紊流的連續性方程、能量 方程和動量方程。紊流模型采用標準的standard k-e （標準）模型。初始條件及邊界條件的設置：u型管內介質為水，流體的進口流速取0. 4m/s, u 型管材料取耐熱聚乙烯材料。模擬工況分為夏季工況和冬季工況。夏季工況：u型管內 流體進口溫度取308k,室外大氣計算溫度取西安夏季室外一年內最熱天日平均溫度 30&1k；冬季工況：u型管內流體進口溫度取280k,冬季室外大氣計算溫度取西安冬

6、季 室外采暖計算溫度269. 8 ko 土壤初始溫度取西安地區土壤下溫度恒定值：288. 6k10。 在與大氣接觸的界而采用對流換熱邊界條件，按無風條件下口然對流換熱情況，對流 傳熱系數近似取2 w /( m 2-k) 8o 土壤最外層邊界視為恒壁溫邊界條件，取土壤溫 度恒定值：288.6 k。土壤底部邊界條件采用對稱邊界條件，即視此邊界為零通量。回 填土與土壤交界面采用耦合邊界條件。固體材料的物性見表2。注：材料熱物性所采用的數據參數見參考文獻11、12。3模擬結果及其分析3.1兩種管型換熱的模擬結果基于上述數學模型、物理模型和邊界條件，對光滑u型管和波紋光滑管分別進行了 夏季工況和冬季工況

7、的數值模擬。收斂后，選取模型屮啟代表性的斷面進行溫度云圖繪 制。z=om處的夏季工況見圖9, z=om處的冬季工況見圖10。從圖9,圖10所示，波紋型埋管和光滑型埋管在土壤屮的換熱，直觀上看，土壤屮 和換熱管內的溫度分布形狀呈相似狀態。以下，將從數值角度來對其區別進行分析。32在相同條件下，兩種類型u型換熱管進岀、口溫度的比較夏季工況下，光滑管的進、出水溫度分別為:308k、307. 89452k,溫差為：0. 10548k； 波紋管的進、出水溫度分別為：3 0 8 k、307. 88863k,溫差為：0. 11137k；波紋管的 溫差比光滑管m 0. 00589k,即將近5.6%。冬季工況下

8、，光滑管的進、出水溫度分別為： 280k.208, 04336k,溫差為：0. 04336k；波紋管的進、出水溫溫度分別為：28ok.28o. 04613k, 溫差為：0.04613k；波紋管的溫差比光滑管高0. 00277k,即將近6.5%。由此可以看出, 在下同條件下,波紋管換熱器的換熱效率可以比光滑管高出6%左右。山于模擬實驗條件 的限制，本文僅對埋深20m的單根換熱管進行了模擬，在實際情況中，筆者判斷其換熱 效率提高率會有進一步的增加。3.3埋有兩種類型u型換熱管的土壤溫度分布的比較圖11,圖12顯示了土壤屮，一定深處通過u型管的水平方向溫度分布的數值圖。 來反映u型管在工作時，水平方

9、向的溫度變化。圖11、圖12顯示了在地表面下7m處夏 季和在地表面下12m處冬季水平方向的土壤的溫度分布。如圖1 1中所示，夏季工況下，在溫度為2.98e+02k處，x方向-2, 2范圍內，埋 有波紋管的土壤溫度散點較埋有光滑管的土壤溫度更為擴散。圖12所示為冬季工況，從 圖中可以看出，在溫度為2.84e+02k處，x方向在-1, 1范圍內，埋有波紋管的土壤溫 度較埋有光滑管的土壤溫度更為擴散。圖13,圖14是土壤屮點(1, 7, 0)至點(1, 22, 0)兩點連線上的溫度分布線圖, 既通過u型管，水平距離lm處，深度由7m到20m的一個線斷。從圖小可以看出，夏季工況：據埋管lm處埋有波紋管

10、的土壤溫度整體高于光滑管；冬季丄況：埋有波紋管的土 壤溫度則整體低于光滑管。說明對于土壤溫度傳導的影響，波紋管比光滑管更明顯。3.4在相同條件下，對兩種模型中土壤溫度衰減的分析為了反映u型管水平方向溫度的變化，取x,y (z-0)截面，在距土壤表血17m深度 處沿x正向取若干點，進行溫度分布比較，詳見表3、表4。表3,表4中atx表示各檢測點的溫度值偏離土壤恒溫面溫度的大小，©表示各檢 測點的溫度值偏離土壤恒溫面溫度的程度。分析表3可知，在冬季工況f, 土壤橫壁溫 處溫度為288. 6k, u型管內流體進口溫度為280k,相差表4分別埋有光滑管、波紋管的 土壤中夏季丄況溫度分布&am

11、p; 6k。在靠近u型管壁處溫度升高較大，以后升高幅度逐漸變 小，參見圖15。在距u型管外壁0.85米處，埋有光滑管土壤溫度為橫壁溫處溫度的98. 53%，埋有波紋管土壤溫度為橫壁溫處溫度的98.4%；在2. 85米處，埋有光滑管土壤 溫度為橫壁溫處溫度的99. 27%,埋有波紋管土壤溫度為橫樂溫處溫度的99. 2%0分析表4町知，夏季工況下，土壤橫壁溫處溫度為28& 6k , u型管內流體進口溫 度為308k,相差19. 4ko在靠近u型管壁處溫度下降較大，以后下降逐漸變小，參見圖 16o在距u型管外壁3. 85n）處，埋有光滑管土壤溫度為橫壁溫處溫度的98.8% ,埋有波 紋管土壤溫度為橫壁溫處溫度的98. 69%；在4. 85m處，埋有光滑管土壤溫度為橫壁溫處 溫度的99. 15%,埋有波紋管土壤溫度為橫壁溫處溫度的99. 07%o4結論經過分析比較可以看出，波紋形狀u型地埋管相對于光滑管顯示出了更好的傳熱性 能，是一種值得考慮的提高土壤源熱泵性能的新