垂直U型管換熱器周圍土壤溫度場的數(shù)值模擬                              

 張曉明,吳建坤,魏凌敏                

  (沈陽建筑大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院,遼寧沈陽110168)     

摘　要:目的分析地下U型埋管周圍土壤的溫度分布情況,了解埋管周圍土壤溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律.方法在夏季制冷工況下,對地埋管換熱器中的單U型管建立了非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用數(shù)學(xué)軟件MATLAB中的PDETOOL進(jìn)行求解,對地埋管周圍土壤的溫度分布狀況進(jìn)行了模擬.結(jié)果隨著熱泵的不斷運(yùn)行,埋管周圍的溫度越來越高,熱作用半徑越來越大,熱泵運(yùn)行10h后,熱作用半徑為0·5 m,埋管周圍土壤溫度高達(dá)26℃.熱泵運(yùn)行2 190 h(90 d)后,熱作用半徑為10 m,埋管周圍土壤溫度高達(dá)45℃.結(jié)論通過數(shù)值模擬,得出了埋管周圍土壤溫度隨著時(shí)間的變化規(guī)律,熱泵不能連續(xù)運(yùn)行,要間歇運(yùn)行.     關(guān)鍵詞:土壤源熱泵;垂直埋管;數(shù)值模擬;溫度場;土壤     中圖分類號:TU831·6　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A　     文章編號:1671-2021(2011)01-0111-04     

土壤源熱泵因其運(yùn)行的節(jié)能性,越來越受到人們的青睞,但其初投資高的問題也一直困擾著人們.降低初投資重要的是對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),掌握和了解埋管周圍的土壤溫度對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用.對地下埋管周圍的土壤溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬有利于合理設(shè)計(jì)地下埋管的埋深,埋管間距及埋管數(shù)量,從而可以降低系統(tǒng)的初投資和使埋管與周圍土壤進(jìn)行充分換熱.從1986年開始地?zé)釁f(xié)會主席L.Rybach對地源熱泵垂直埋管換熱器周圍溫度場進(jìn)行長達(dá)10余年的研究,研究表明熱泵運(yùn)行30年后距離垂直埋管換熱器1m,50m深處土壤溫度的下降僅1·5℃.文獻(xiàn)[1-3]以V. C.Mei傳熱模型為基礎(chǔ),聯(lián)立能量方程和熱傳導(dǎo)方程,通過解析求解,研究結(jié)果主要為傳熱模型的對比分析以及影響傳熱模型的因素,提出了土壤溫度場的離散計(jì)算方法.山東建筑大學(xué)刁乃仁[4-5]等人對地下水滲流情況下埋管換熱器周圍土壤溫度場進(jìn)行了理論研究,給出了有均勻滲流時(shí)無限大多孔介質(zhì)中在線熱源作用下的瞬態(tài)溫度響應(yīng)的解析解.該解是對地源熱泵工程中廣泛采用的純導(dǎo)熱源模型的擴(kuò)展,為分析討論地下水滲流對于地埋管換熱器傳熱的定性和定量的影響提供了有用的理論基礎(chǔ).文獻(xiàn)[6-7]采用有限元方法對土壤的溫度場及U型埋管換熱器的熱流量分布進(jìn)行了分析,應(yīng)用ANSYS軟件建立有限元模型模擬換熱器的傳熱,分析土壤的熱物性、U型換熱器兩管間距對U型管換熱器熱干擾的影響,埋管周圍土壤溫度呈非穩(wěn)態(tài)分布.作者主要是針對鉆孔內(nèi)的土壤溫度變化情況進(jìn)行了研究,鉆孔外土壤溫度場的變化沒有作深入的探討.目前針對鉆孔外周圍土壤的溫度場研究的較少,筆者針對單U型管建立數(shù)學(xué)和物理模型,利用數(shù)學(xué)軟件MATLAB中的PDETOOL進(jìn)行求解,研究埋管周圍溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律,對垂直埋管式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù).     

1·物理模型     地下埋管換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1所示.傳熱介質(zhì)以恒定的流量從進(jìn)口流入出口流出,不斷與土壤進(jìn)行換熱獲取一定的冷量或者熱量.          

1·1　等效管的確定     以夏季為例,熱泵運(yùn)行期間,進(jìn)口管側(cè)傳熱介質(zhì)溫度較高與土壤溫度的溫差大,換熱量大,隨著介質(zhì)不斷與土壤進(jìn)行換熱,介質(zhì)在出口管側(cè)溫度降低,傳熱介質(zhì)與土壤換熱量變小.假設(shè)周圍土壤溫度均勻一致,由傳熱學(xué)理論分析得兩根管與土壤換熱量是不同的,進(jìn)口管側(cè)換熱量大于出口管側(cè)換熱量.由于兩根支管之間存在溫度差,彼此會產(chǎn)生熱干擾現(xiàn)象.為了簡化計(jì)算筆者將U型管的兩根支管用一根管等效管來代替.其當(dāng)量半徑[8-12]為：          式中:rep為等效管半徑,m;r為U型管半徑,m.     

1·2　傳熱模型假設(shè)     影響埋管周圍溫度場的因素很多,為簡化計(jì)算筆者對傳熱模型作出如下假設(shè):     (1)不考慮地下滲流的影響;     (2)巖土均勻;     (3)巖土和回填材料熱物理參數(shù)不變;     (4)等效管不同深度散熱量一致;     (5)忽略管壁與回填材料,回填材料與鉆孔壁的接觸熱阻;     (6)回填土與周圍土壤性質(zhì)相同.     

1·3　數(shù)學(xué)模型     地埋管換熱器與周圍巖土的換熱可分為鉆孔內(nèi)傳熱過程和鉆孔外傳熱過程.相比鉆孔外,鉆孔內(nèi)的幾何尺寸和熱容量均很小,可以很快達(dá)到一個溫度相對比較穩(wěn)定的階段,因此埋管與鉆孔內(nèi)的換熱過程可以近似為穩(wěn)態(tài)換熱過程.筆者主要針對鉆孔外周圍土壤溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬.當(dāng)鉆孔外的傳熱過程視為柱熱面熱源的無限大介質(zhì)中非穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí),其傳熱控制方程為：          式中:λs為土壤的導(dǎo)熱系,W /(m·K);ρs為土壤的密度, kg/m3;cs為土壤比熱容, J/(kg·K);rb為鉆孔壁半徑,m;t為土壤的溫度,℃;τ為時(shí)間, s.     1·4　初始條件          式中:t0為土壤原始溫度,℃.      

1·5　邊界條件     等效管外壁設(shè)為第二類邊界條件,熱泵運(yùn)行時(shí)有          2·模擬參數(shù)     筆者模擬參數(shù)來源于北京某一工程對土壤進(jìn)行熱物性的測試數(shù)據(jù),參數(shù)如下     (1)巖土的導(dǎo)熱系數(shù)為1·43W /(m·K);密度為2 200kg/m3;比熱容950J/(kg·K).     (2)埋管內(nèi)流動介質(zhì)為水;密度為1 000kg/m3;比熱容為4 200J/(kg·K).     (3)管內(nèi)流量為0·000 5m3/s,埋管深100m.     (4)埋管管材為PE管,導(dǎo)熱系數(shù)為0·05W /(m·K);U型管尺寸為32mm×3mm;鉆孔直徑110mm.     (5)熱流密度為q1=350W /m2.     3·模擬結(jié)果及分析     筆者在夏季工況下,應(yīng)用數(shù)學(xué)軟件MATLAB求解式(2).在制冷工況下模擬了土壤源熱泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)地下埋管周圍土壤的溫度分布情況.筆者模型以等效管中心為軸,10m為半徑,選取距地面30m深處土壤溫度作為初始溫度,為16℃.模擬結(jié)果見圖2~圖7(豎坐標(biāo)t表示溫度,坐標(biāo)(x,y)表示距離).                                               

在夏季制冷工況下,隨著熱泵機(jī)組的不斷運(yùn)行,埋管中的傳熱介質(zhì)通過管壁向土壤放熱,導(dǎo)致埋管周圍土壤溫度升高,這時(shí)遠(yuǎn)邊界土壤未受影響,保持土壤初始溫度,由于遠(yuǎn)、近土壤層存在溫差,埋管近端土壤把熱量傳向土壤的遠(yuǎn)端.這時(shí)必然存在一區(qū)分土壤是否受擾動的界面,則定義此界面到等效管軸心的水平距離為熱作用半徑[13-15].     分析圖2~圖7得出:隨著熱泵運(yùn)行時(shí)間的增長,埋管周圍土壤溫度逐漸升高,熱作用半徑逐漸增大.由圖2可知,當(dāng)熱泵運(yùn)行10h后,只有靠近埋管周圍的土壤溫度有所升高,熱作用半徑為0·5m,土壤溫度高達(dá)到28·5℃.當(dāng)熱泵運(yùn)行24h后,由圖3得知熱作用半徑擴(kuò)大到0·8m,埋管周圍土壤溫度高達(dá)到31℃。分析圖4可知,熱泵運(yùn)行240h(10d)后,熱作用半徑擴(kuò)大到約為3·3m,土壤溫度高達(dá)到37℃.圖5中熱泵運(yùn)行480h(20d)后,熱作用半徑進(jìn)一步擴(kuò)大,約為4·4m,埋管周圍土壤溫度高達(dá)到39℃.當(dāng)熱泵連續(xù)運(yùn)行2160h(90d)后,由圖7可知,土壤熱作用半徑為10m,土壤溫度高位45℃.工程中地埋管中傳熱介質(zhì)進(jìn)口溫度為42℃,出口溫度為37℃,由圖4可知埋管周圍土壤溫度37℃,比埋管中傳熱介質(zhì)高2℃,傳熱介質(zhì)不能從土壤中汲取冷量,所以熱泵連續(xù)運(yùn)行長時(shí)間不超過10d.分析圖2~圖4傳熱隨著埋管周圍溫度逐漸升高,埋管中換熱介質(zhì)與土壤溫度差越小,從而換熱量減少,不利于系統(tǒng)運(yùn)行,所以土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)采用間歇運(yùn)行.由圖7可以看出熱泵運(yùn)行一個夏季(按90d計(jì)算),熱作用半徑為10m.由于土壤的熱作用半徑范圍以及不同地區(qū)的土壤性質(zhì)不同,在同樣的條件下,熱作用半徑大小不同.因此在設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器時(shí)布管應(yīng)注意這一點(diǎn),以免管井之間產(chǎn)生熱干擾,從而影響熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行效率.   

  4·結(jié)　論     (1)在夏季工況下,以單U形管為例,建立了埋管的數(shù)學(xué)和物理模型,通過軟件MATLAB求解,得隨著熱泵運(yùn)行時(shí)間的增加,埋管周圍土壤溫度越來越高,熱作用半徑逐漸變大.當(dāng)熱泵運(yùn)行10h后,土壤溫度高達(dá)到28·5℃,熱作用半徑為0·5m.熱泵運(yùn)行240h(10d)后,土壤溫度高達(dá)到37℃,熱作用半徑為3·3m.當(dāng)熱泵連續(xù)運(yùn)行2160h(90d)后,土壤溫度高位45℃,熱作用半徑擴(kuò)大到10m.     (2)熱泵連續(xù)運(yùn)行10d后埋管周圍高溫度達(dá)37℃,與埋管中傳熱介質(zhì)出口溫度相等,無傳熱溫差,不能與土壤進(jìn)行換熱,所以熱泵不能長時(shí)間運(yùn)行,長運(yùn)行時(shí)間為10d,因此要間歇運(yùn)行土壤源熱泵.

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