U型波紋埋管對(duì)于增強(qiáng)土壤源熱泵換熱性能的研究

                                         陳萌   官燕玲

                         (長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710005)

    摘要：為了增強(qiáng)土壤源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器的換熱性能,通過(guò)CFD方法,探討改用波紋管對(duì)地下?lián)Q 熱所產(chǎn)生的影響,首次提出采用波紋管代替光管作為強(qiáng)化地下埋管換熱器換熱效率。

    關(guān)鍵詞：土壤源熱泵;波紋管;地埋管換熱器

    中圖分類號(hào)：TU833·3+　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　文章編號(hào)：1004-7948(2009)02-0017-04

引言

    地下埋管換熱器是土壤源熱泵系統(tǒng)的核心部分,是增強(qiáng)土壤源熱泵系統(tǒng)性能的關(guān)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(fā)展的核心問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從各個(gè)方面對(duì)于這個(gè)問(wèn)題做了大量的研究[1-7]。本文首次提出,通過(guò) 改變U型管的管體形狀,即用波紋管代替常規(guī)的光 管來(lái)尋找強(qiáng)化地下埋管換熱器的換熱性能的新途 徑。文中通過(guò)創(chuàng)建地下單根U型埋管模型,針對(duì)西 安地區(qū)的氣候與土壤條件,進(jìn)行了冬、夏兩季的換熱數(shù)值模擬,通過(guò)比較光滑管與波紋管在溫度場(chǎng)和進(jìn)、出水溫度的區(qū)別,提出兩種形狀U型管的差異、優(yōu)劣和今后研究方向。

    1 U型管外形的提出與建立

    傳統(tǒng)的地埋管換熱研究都是基于光滑U型管, 通過(guò)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(shù)量,如一孔單管或一孔雙 管[5];或是改進(jìn)回填土的導(dǎo)熱性能[7]等,來(lái)達(dá)到優(yōu) 化換熱的目的。這些方法都從不同方面研究了如何 強(qiáng)化傳熱,取得了一定的成效。但它們都是從地埋 管外土壤側(cè)進(jìn)行的研究,而埋管壁和U型管內(nèi)的流 體的強(qiáng)化傳熱沒(méi)有得到充分考慮。根據(jù)傳熱學(xué)原 理:影響換熱器傳熱效果的因素主要取決于內(nèi)外傳 熱介質(zhì)的熱物理性質(zhì)、流體介質(zhì)的流態(tài)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(zhǎng)度的換熱面積,又可以增加管內(nèi)流體的擾動(dòng),增強(qiáng)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(duì)象為埋入土壤內(nèi)的U型換熱管(見(jiàn)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(duì)位置如圖4、表1所示。

    利用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分。所有區(qū)域利用 TGrid網(wǎng)格進(jìn)行劃分,網(wǎng)格大小:土壤區(qū)域?yàn)?m;回 填土區(qū)域?yàn)?·1m;U型埋管為0·015m。劃分后的 網(wǎng)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(fù)雜性,減少網(wǎng)格數(shù)量和求解的復(fù)雜性,進(jìn)行了必要的假設(shè),假設(shè)條件如下:

    (1)假設(shè)土壤是均勻的,并且在整個(gè)傳熱過(guò)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(shè)為Separated(分離)?？?nbsp;制方程采用紊流的連續(xù)性方程、能量方程和動(dòng)量方程。紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的standardk-ε(標(biāo)準(zhǔn))模型。

初始條件及邊界條件的設(shè)置:U型管內(nèi)介質(zhì)為 水,流體的進(jìn)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(nèi)流體進(jìn)口溫度取308K,室外大氣 計(jì)算溫度取西安夏季室外一年內(nèi)最熱天日平均溫度 308·1K;冬季工況:U型管內(nèi)流體進(jìn)口溫度取280K, 冬季室外大氣計(jì)算溫度取西安冬季室外采暖計(jì)算溫 度269·8K。土壤初始溫度取西安地區(qū)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(duì)流換熱邊界條件,按無(wú)風(fēng)條件下自然對(duì)流換熱情況計(jì)算,對(duì)流傳熱系數(shù)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(duì)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(jié)果及其分析

    3·1兩種管型溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)的模擬結(jié)果基于上述數(shù)學(xué)模型、物理模型和邊界條件,對(duì)光 滑U型管和波紋管分別進(jìn)行了夏季工況和冬季工況的數(shù)值模擬。收斂后,選取模型中有代表性的斷面進(jìn)行分析繪制了溫度云圖如圖9、圖10所示。內(nèi)流場(chǎng)矢量如圖11所示。

               

    3·2模擬結(jié)果的分析

    土壤中溫度分布的數(shù)值如圖12、圖13所示。

    散點(diǎn)圖從數(shù)值方面利用坐標(biāo)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(kuò)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(jù)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(shuō)明對(duì)于土壤溫度傳導(dǎo)的影響,波紋管 比光滑管更強(qiáng)。

                

    3·3在相同條件下,兩種類型U型換熱管進(jìn)出、口溫度的比較

    夏季工況下,光滑管的進(jìn)、出水溫分別 為308K、307·89452K,溫差為0·10548K;波紋管的 進(jìn)、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(jìn)、出水溫度分 別為280K、208·04336K,溫差為0·04336K;波紋管 的進(jìn)、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(shí) 驗(yàn)條件的限制,本文僅對(duì)埋深20m的單根換熱管進(jìn) 行了模擬,在實(shí)際情況中,分析其換熱效率提高率會(huì) 有進(jìn)一步的增加。

    4.結(jié)論

    經(jīng)過(guò)分析比較可以看出,波紋形狀U型地埋管 相對(duì)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(shí)也 應(yīng)考慮到:

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

    (2)其經(jīng)濟(jì)成本應(yīng)與光滑管在經(jīng)濟(jì)性與換熱效率兩方面作綜合性分析比較后才能做最后結(jié)論。

    (3)本文采用數(shù)值模擬的方法,利用Fluent軟件對(duì)波紋管和光滑管進(jìn)行了比較分析,其結(jié)果尚需采用實(shí)際實(shí)驗(yàn)去加以驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[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(xué)學(xué)報(bào), 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(shí)驗(yàn)對(duì)比研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào), 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(xué)院學(xué)報(bào), 2003, (3): 11-17.

[6]孫純武,張素云,劉憲英.水平埋管換熱器地?zé)嵩礋岜?nbsp;實(shí)驗(yàn)研究及傳熱模型[ J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 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(yáng)能學(xué)報(bào), 2004, (4): 216-220.

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

[9]中國(guó)氣象局氣象中心氣象資料室,清華大學(xué)建筑技術(shù) 科學(xué)系.中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北 京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2005.

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

[11]陸耀慶,等.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)[M].北 京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2007.

[12]崔奇.聚乙烯管道的特點(diǎn)及應(yīng)用[ J].建設(shè)科技, 2002, (5): 35-38.

作者簡(jiǎn)介:陳萌(1980-),男,陜西西安人,在讀碩士,研究 方向:建筑節(jié)能。