胡 宁 王晏平 李雪飞
(安徽建筑大学，安徽 合肥 230601)
·水·暖·电·
垂直U型埋管换热器全年试验分析及模拟★
胡 宁 王晏平 李雪飞
(安徽建筑大学，安徽 合肥 230601)
通过分析，建立了120 m深垂直U型埋管换热器及土壤温度场的数学模型，并就典型气候条件下换热器的换热性能及周围土壤温度场的变化情况进行了实测分析及数值模拟，为夏热冬冷地区地埋管换热器系统的设计、施工提供一定参考。
地源热泵系统，垂直U型地埋管换热器，模拟，ANSYS
0 引言
地源热泵系统和常规空调系统最大区别在于多了一个地埋管换热器，而我国大部分区域空调夏季冷负荷往往大于冬季热负荷，在这种情况下，地埋管换热器周围容易出现冷热量不平衡，系统运行若干年以后，换热器周围土壤温度升高，虽有利于冬季运行，但对系统在夏季运行不利，甚至出现系统不能运行[1，2]。基于此，本文试验分析合肥地区典型工作条件下垂直单U型埋管换热器的运行性能及换热器周围土壤温度变化情况，并进行数值模拟分析，为夏热冬冷地区实际工程提供一定的参考。
1 模型建立
1.1 物理模型
换热器与其周围土壤传热过程可视为在半无限大介质中与土壤进行热量交换的过程，基于此，其传热采用线热源模型。
1.2 数学模型
1)换热器内流体传热方程。
(1)
其中，Tf为换热器内流体温度，℃；u为换热器内流体速度，m/s；Tp为换热器管壁温度，℃；α为管壁与换热器内流体对流换热系数，W/(m·℃)；ρf为流体密度，kg/m3；cf为流体比热容，J/(kg·℃)。
2)U型管壁导热。
(2)
其中，Tp为管壁温度，℃；ρp为管壁密度，kg/m3；cp为管壁比热容，J/(kg·℃)；λp为管壁导热系数，W/(m·℃)。
3)回填材料导热。
(3)
其中，Th为回填材料温度，℃；ρh为回填材料密度，kg/m3；ch为回填材料比热容，J/(kg·℃)；λh为回填材料导热系数，W/(m·℃)。
4)土壤导热。
(4)
其中，Ts为土壤温度，℃；ρs为土壤密度，kg/m3；cs为土壤比热容，J/(kg·℃)；λs为土壤的导热系数，W/(m·℃)。
5)初始条件。
t=0，Tf=Tp=Th=Ts=T0，T0为换热器周围土壤的初始温度。
6)边界条件。
(5)
(6)
(7)
(8)
远边界层：
T∞=Ts=T0
(9)
(10)
7)流体进口。
Tf(z=0)=Tfin
(11)
2 试验
试验地埋管换热器打井相对位置如图1所示，其中1～4为运行井，井深120 m，a～f为测试井，井深100 m。打井孔径均为110 mm，U型管采用DN25高密度聚乙烯管。
2.1 取热工况
试验开始阶段对地温进行了测量，所测数据如图2所示。
经过对系统的调试，综合系统压降等因素选取0.6 m/s作为试验流速，热泵机组连续运行，运行一段时间后，地埋管进出口水温逐渐趋于平缓，如图3所示。单位井深换热量、系统COP及进出口水温变化分别见图4，图5。
由图3～图5可看出，开始运行时换热器进出口水温均降低，运行一段时间后基本达到稳定，进出口水温差也基本达到稳定。数据分析得到换热器的单位井深换热量为60.1 W/m，系数COP平均值4.3 W/W。
2.2 放热工况
7月20日～26日进行了土壤原始地温测试，如图6，图7所示。
由图8～图10可看出，系统开始运行时，换热器进、出口水温均有较大幅度上升，运行约8 h后，进、出口水温差基本趋于稳定值。系统运行后的第5天，测得单位井深换热量比第1天减少了2 W/m。整个运行阶段单位井深换热量为79.3 W/m，系统COP平均值2.95。
2.3 数值模拟分析
尽管换热机理一样，但不同季节地埋管换热器与其周围土壤的换热情况有所不同，而地源热泵系统的关键问题在于系统运行若干年后地下土壤是否能够保持热平衡。根据实验模型，模拟地源热泵在运行一个冬季和夏季后换热器周围土壤温度变化情况，模拟结果如图11～图14所示。由图11～图14可以看出，系统运行若干年后，换热器周围土壤温度均有升高。运行1年后，换热器周围土壤温度升高了1.1 ℃，运行5年后，土壤温度升高了3 ℃。可见，在供冷负荷大于供热负荷的地区来说，单纯采用地埋管换热系统会导致地下土壤出现热不平衡，存在一定热堆积现象。
3 结语
通过试验及模拟分析得到，系统运行若干年后，地埋管换热器周围土壤温度有所升高，第5年运行结束后，土壤温度上升了3 ℃，地下存在一定热堆积。因此，工程设计中应考虑采用其他方法保证地下冷热量达到平衡，具体做法有：
1)采用混合式系统。冬季采用热负荷埋管，夏季采用冷却塔辅助散热。埋管分区域连接，并且与机组相对应，主机选型采取“热泵机组+单冷机组”形式。对于重要建筑，主机可以全部选用热泵机组，并且每台机组都配以冷却塔，相对来说，这增加了初投资，但保证了系统的夏季运行。2)当埋管面积较大，且冷热负荷不大时，可以采取按负荷较大者确定地埋管数量，此种埋管方式适合于别墅类小型建筑。3)本文并未考虑地下水渗流等因素对换热结果的影响，此方面工作有待进一步开展。
[1] 李新国.埋地换热器内热源理论与地源热泵运行特性研究[D].天津:天津大学,2004.
[2] 宋著坤,赵 军，李新国，等.地源热泵冬夏两季运行性能分析与实验研究[J].流体机械,2006,34(2):55-57.
[3] 赵桂章，浦培林，周遵凯.地源热泵的发展现状及新方法研究[J].山西建筑，2013，39(7)：124-125.
ExperimentalandsimulantstudyonverticalU-tubeundergroundheatexchanger★
HUNingWANGYan-pingLIXue-fei
(AnhuiJianzhuUniversity，Hefei230601，China)
A 120 meters vertical U-tube heat exchanger was theoretically analysed, the mathematic model of heat exchanger was established.It experimentally studies heat transfer performance of the Ground Heat Exchange(GHE) and the surround temperature distribution under continuous operation modes in the typical climate. Last, the finite element analysis software ANSYS was used to simulate the long-time operation mode of the GHE, which affords reference to the construction of the GSHP system.
Ground-Source Heat Pump, vertical U-tube underground heat exchanger, simulation, ANSYS
1009-6825(2014)33-0112-03
2014-09-13
胡 宁(1981- )，男，硕士，助教； 王晏平(1959- )，男，副教授； 李雪飞(1980- )，男，硕士，助教
TU833
：A
★：安徽建筑大学校青年科研专项项目“大规模地源热泵在合肥地区应用可行性研究”支持(项目编号：2012nyjy-校青年-06)
