陳萌   官燕玲

                         (長安大學環境科學與工程學院,陜西西安710005)

    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,通過CFD方法,探討改用波紋管對地下換 熱所產生的影響,首次提出采用波紋管代替光管作為強化地下埋管換熱器換熱效率。

    關鍵詞：土壤源熱泵;波紋管;地埋管換熱器

    中圖分類號：TU833·3+　文獻標識碼：A　文章編號：1004-7948(2009)02-0017-04

引言

    地下埋管換熱器是土壤源熱泵系統的核心部分,是增強土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,是地源熱泵研究與發展的核心問題之一。國內外學者從各個方面對于這個問題做了大量的研究[1-7]。本文首次提出,通過 改變U型管的管體形狀,即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。文中通過創建地下單根U型埋管模型,針對西 安地區的氣候與土壤條件,進行了冬、夏兩季的換熱數值模擬,通過比較光滑管與波紋管在溫度場和進、出水溫度的區別,提出兩種形狀U型管的差異、優劣和今后研究方向。

    1 U型管外形的提出與建立

    傳統的地埋管換熱研究都是基于光滑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 化換熱的目的。這些方法都從不同方面研究了如何 強化傳熱,取得了一定的成效。但它們都是從地埋 管外土壤側進行的研究,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于內外傳 熱介質的熱物理性質、流體介質的流態以及傳熱界 面的幾何因素等[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。

    波紋管較之于光滑管,既可以增大單位長度的換熱面積,又可以增加管內流體的擾動,增強湍流度。建立波紋管外形模型如圖1所示。

                         

    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

    模擬對象為埋入土壤內的U型換熱管(見圖 2)。

                          

    圖2中的A-A剖面圖如圖3所示,回填土與U 型管尺寸大小和相對位置如圖4、表1所示。

    利用Gambit進行網格劃分。所有區域利用 TGrid網格進行劃分,網格大小: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 網格如圖5~圖8所示。

         

            

    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 中土壤的熱物性不變;

    (2)不考慮土壤中水分遷移的影響;

    (3)忽略土壤溫度沿深度方向的變化,初始土 壤溫度取土壤邊界處的恒定溫度;

    (4)忽略U型管管壁與回填土、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standardk-ε(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型管采用耐熱聚 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 308·1K;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季室外采暖計算溫 度269·8K。土壤初始溫度取西安地區土壤下溫度 趨于恒定處的值288·6K[10]。在與大氣接觸的界面采用對流換熱邊界條件,按無風條件下自然對流換熱情況計算,對流傳熱系數近似取2W / (m2·K)[8]。土壤最外層邊界視為恒壁溫邊界條件,取土壤溫度恒定值: 288·6K。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,回填土與土壤交界的界面采用耦合邊界條件。固體材料的物性如表2所示。

                

    3.模擬結果及其分析

    3·1兩種管型溫度場及速度場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型管和波紋管分別進行了夏季工況和冬季工況的數值模擬。收斂后,選取模型中有代表性的斷面進行分析繪制了溫度云圖如圖9、圖10所示。內流場矢量如圖11所示。

               

    3·2模擬結果的分析

    土壤中溫度分布的數值如圖12、圖13所示。

    散點圖從數值方面利用坐標軸的表示方法顯示了在地表面下7m(夏季)和12m(冬季)水平方向土壤的溫度分布。圖中可以看出在相同土壤深度處, 波紋U型管比光滑管更有利于溫度在土壤中的橫向擴散。

               

               

    圖14、圖15分別是夏季和冬季距埋管水平距 離1m處土壤7~20m深度處溫度分布線圖。

    從圖中可以看出,夏季工況:據埋管1m處溫度 波紋管整體高于光滑管;冬季工況:波紋管則整體低 于光滑管。說明對于土壤溫度傳導的影響,波紋管 比光滑管更強。

                

    3·3在相同條件下,兩種類型U型換熱管進出、口溫度的比較

    夏季工況下,光滑管的進、出水溫分別 為308K、307·89452K,溫差為0·10548K;波紋管的 進、出水溫分別為308K、307·88863K,溫差為 0·11137K;波紋管的溫差比光滑管高0·00589K,即 將近5·6%。冬季工況下,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、出水溫分別為280K、280·04613K,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,在相同條件下,波紋管換熱器的 換熱效率可以比光滑管高出6%左右。由于模擬實 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,分析其換熱效率提高率會 有進一步的增加。

    4.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途徑。但同時也 應考慮到:

    (1)由于波紋管尚未在地埋管換熱器中投入應用,其加工制作工藝的可行性和可靠性尚不明確。

    (2)其經濟成本應與光滑管在經濟性與換熱效率兩方面作綜合性分析比較后才能做最后結論。

    (3)本文采用數值模擬的方法,利用Fluent軟件對波紋管和光滑管進行了比較分析,其結果尚需采用實際實驗去加以驗證。

參考文獻

[1]V C Me.i Effect of back- filling material on ground coil performance

[J]ASHRAE Transactions, 1987, (2): 1845- 1857.

[2]Elliott Spilker.Ground-couple heat pump loop design u- sing thermal 

conductioity testing and effectofdifferentback - fill materials on vertical

bore length [ J]. ASHRAE Transactions, 1998, (2): 775-780.

[3]王勇,付祥釗.地源熱泵的套管式換熱器的研究[J].重 慶建筑大學學報, 1997, (10): 13-17.

[4]王曉濤,唐志偉,馬重芳.三種垂直埋管熱交換器冬季 供暖的實驗對比研究[J].工程熱物理學報, 2006, (7): 85-88.

[5]曾和義,方肇洪.雙U型埋管換熱器的傳熱模型[J].山 東建筑工程學院學報, 2003, (3): 11-17.

[6]孫純武,張素云,劉憲英.水平埋管換熱器地熱源熱泵 實驗研究及傳熱模型[ J].重慶建筑大學學報, 2001, (12): 49-55.

[7]莊迎春,孫友宏,謝康和.直埋閉式地源熱泵回填土性 能研究[J].太陽能學報, 2004, (4): 216-220.

[8]章熙民,任澤霈,等.傳熱學(第四版)[M].北京:中國 建筑工業出版社, 2001.

[9]中國氣象局氣象中心氣象資料室,清華大學建筑技術 科學系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北 京:中國建筑工業出版社, 2005.

[10]陳萌,官燕玲,李異.地源熱泵在西安地區的應用前景 [J].建筑熱能通風空調, 2008, (3): 24-30.

[11]陸耀慶,等.實用供熱空調設計手冊(第二版)[M].北 京:中國建筑工業出版社, 2007.

[12]崔奇.聚乙烯管道的特點及應用[ J].建設科技, 2002, (5): 35-38.

作者簡介:陳萌(1980-),男,陜西西安人,在讀碩士,研究 方向:建筑節能。