不同形式地埋管换热器换热性能数值计算分析

摘 要

摘要:采用ANSYS软件对水平、竖直、桩基螺旋地埋管换热器进行建模。在定加热负荷、定入口水温两种设计工况下,对3种地埋管换热器的出口水温进行了数值计算,以评价地埋管换热器的

摘要:采用ANSYS软件对水平、竖直、桩基螺旋地埋管换热器进行建模。在定加热负荷、定入口水温两种设计工况下,对3种地埋管换热器的出口水温进行了数值计算,以评价地埋管换热器的换热性能。在设定条件下,竖直地埋管换热器的换热性能最优。

关键词:地源热泵;  水平地埋管;  竖直地埋管;  桩基螺旋地埋管;  地埋管换热器

Numerical Calculation Analysis of Heat Transfer Performance of Different Buried Heat Exchangers

Abstract: The calculation models of different buried heat exchangers including horizontalvertical and pile spiral types are built using ANAYS software. Under the design conditions of constant heating load and constant inlet water temperaturethe outlet temperatures of three buried heat exchangers are calculated to evaluate the heat transfer performance of buried heat exchangers. The vertical buried heat exchanger has the optimal heat transfer performance under the given condition.

Key words: ground-source heat pump horizontal buried pipevertical buried pipepile spiral buried pipeburied heat exchanger

1 研究对象

地埋管换热器与土壤的传热过程是一个复杂的非稳态过程[1-3],为了解不同形式地埋管换热器的换热性能,本文对水平、竖直(U)、螺旋桩基地埋管换热器的换热性能进行数值计算分析。

水平地埋管换热器属于浅层埋设[4],一般埋于距地面0.8 m以下,造价低,与浅层土壤换热,但浅层土壤温度易受环境影响。竖直地埋管换热器布置于竖向钻孔中[5],与回填材料直接接触,主要与深层土壤换热,由于深层土壤温度全年维持恒定,因此换热性能稳定。桩基螺旋地埋管换热器利用建筑的桩基,不需另外钻孔,将地埋管以螺旋形式布置在桩基钢笼上,通过混凝土进行回填[6],同时与桩基内部的混凝土和外部的土壤换热。

2 换热控制方程

对于3种形式地埋管换热器,通用的换热控制方程包括以下3个部分[7]

导热方程:

 

式中 θ(txyz)——t时刻导热区域的材料(包括管壁、回填材料、土壤)温度,

      t——运行时间,s

     xyz——导热区域范围内的坐标,m

     α——管壁、回填材料、土壤的热扩散率,m2s

     ——拉普拉斯算子

地埋管内流体对流传热控制方程:

 

式中 h——地埋管内壁表面传热系数,W(m2·K)

    θ(tL)——f时刻,地埋管长度t处管内流体温度,

    θ(tLR)——t时刻,地埋管长度L处内壁面温度,

    γ——管壁的热导率,W(m·K)

    θ(tLr)——t时刻,地埋管长度L处垂直于地埋管轴向r止的温度,

    r——地埋管某处垂直于地埋管轴向的距离,m

    R——地埋管内半径,m

管内流体热平衡方程:

 

式中 qm——地埋管内传热介质()的质量流量,kgs

     cp——水的比定压热容,J(kg·K)

 S——地埋管截面的内周长,m

3 模型建立、求解方法及设定

3.1 模型建立及求解方法

采用ANSYS ICEM CFD进行建模,模型建立时,不对模型进行简化,完全根据实际情况进行建模。采用ANSYS CFX进行求解,选择非稳态计算,管内传热介质流动选择K-Epsilon模型,动量方程与能量方程耦合求解。水平地埋管换热器布置成直管形式,地埋管长度为l00m。由于竖直地埋管换热器的研究基于线热源,因此将竖直地埋管换热器的钻孔深度设定为l00 m。对于桩基螺旋地埋管换热器,地埋管长度设定为100 m。地埋管采用PE管,内直径为20.4 mm。对于水平地埋管换热器,埋深为l m。对于竖直地埋管换热器,钻孔直径为130mm。对于桩基螺旋地埋管换热器,螺旋直径为2m,螺距为0.1 m,桩基的高度为1.6 m3种形式地埋管换热器的模型及网格划分分别见图13

 

3.2 设定

① 土壤物性参数

为了使数值计算结果更接近实际,考虑了土壤竖直方向的分层现象,根据重庆地区的现场勘测结果,沿土壤竖直方向依次为原生土、泥岩、砂岩。对于水平地埋管换热器,回填材料为原生土。竖直地埋管换热器钻孔的回填材料为河砂与膨润土的混合物。对于桩基螺旋地埋管换热器,桩基内部为混凝土,外部为原生土。不同材料的物性参数见表l。由表l中原生土、泥岩、砂岩的分布深度可知,水平、桩基螺旋地埋管换热器所在深度只涉及原生土,竖直地埋管换热器所在深度涉及原生土、泥岩、砂岩。

初始条件

夏季条件下,重庆地区不同深度土壤的初始温度见表2,并根据表2的数据对土壤进行温度初始化。由表2可知,深层(≥15 m)土壤的温度稳定,浅层土壤存在竖直温度分布。

 

③设计工况及数值计算目的

在数值计算过程中,采用两种设计工况:定加热负荷、定入口水温。定加热负荷:加热负荷设定为4kW,地埋管换热器内水的流速分别取0.60.8 ms。地埋管换热器的连续运行时间为9 h,初始入口水温设定为20℃。定入口水温:保持地埋管换热器的入口水温为32℃不变,水的流速分别取0.60.8 ms。地埋管换热器连续运行时间为9 h,地埋管换热器初始入口水温设定为32℃

在两种设计工况下,分别对3种形式地埋管换热器的出口水温进行数值计算,运行时间相同的情况下,出口水温越低说明地埋管换热器的换热性能越好。

4 数值计算结果

4.1 定加热负荷

在定加热负荷工况下,不同水流速度时地埋管换热器出口水温随运行时间的变化见图4。由图4可知,竖直地埋管换热器出口水温最低,换热性能最好。运行前期,桩基螺旋地埋管换热器出口水温低于水平地埋管换热器,随着运行时间的延长,桩基螺旋地埋管换热器出口水温升高较快。运行6 h后,桩基螺旋地埋管换热器出口水温高于水平地埋管换热器。

竖直地埋管换热器与水平地埋管换热器出口水温随运行时间的变化趋势基本一致,但出口水温低于水平地埋管换热器。主要原因为水平地埋管换热器、竖直地埋管换热器与土壤的传热机理一致,因此出口水温随运行时间的变化趋势基本一致。但水平地埋管换热器位于浅层土壤,土壤初始温度较高,导致地埋管内传热介质与土壤的换热温差减小。

桩基螺旋地埋管换热器的出口水温随时间升高得较快,主要原因为:桩基螺旋地埋管换热器的螺距较小,相邻地埋管相互影响,地埋管内传热介质的热量只能向桩基外的土壤和桩基内的混凝土两个方向传递,导致地埋管换热器有效换热面积减小,换热性能下降。由图4可知,在定加热负荷工况下,流速对地埋管换热器出口水温影响较小。

 

4.2 定入口水温

在定入口水温工况下,不同水流速度时地埋管换热器出口水温随运行时间的变化见图5。由图5可知,地埋管换热器出口水温随运行时间的延长而升高,竖直地埋管换热器出口水温最低,换热性能最好。运行前期,桩基螺旋地埋管换热器出口水温低于水平地埋管换热器,随着运行时间的延长,桩基螺旋地埋管换热器出口水温逐渐升高,至运行后期,二者已经比较接近。在定入口水温工况下,流速对地埋管换热器出口水温的影响比较明显。

由于采取定入口水温,不同形式地埋管换热器单位长度(对于竖直地埋管换热器为单位钻孔长度)热流量不同(见表3)。由表3可知,在运行时间内,3种地埋管换热器中竖直埋管换热器的单位长度热流量最大。桩基螺旋地埋管换热器的单位长度热流量高于水平地埋管换热器,但桩基螺旋地埋管换热器的出口水温在运行后期上升较快,可以推断,随着运行时间的进一步延长,这两种地埋管换热器单位长度热流量的差距会逐渐缩小。

 

5结论

竖直地埋管换热器的换热性能最优,但造价高,施工难度大。水平地埋管换热器的造价低、施工难度小,但所处深度的土壤温度易受环境温度的影响,因此换热性能较差。桩基螺旋地埋管换热器直接利用建筑的桩基布管,降低了造价,但桩基螺旋埋管的螺距较小,易导致换热能力随时间的衰减加快。

 

参考文献:

[1] FLORIDES GKALOGIROU S. Ground heat exchangersa review of systemsmodels and applications[J].Renewable Energy2007(32)2461-2478.

[2] OMER A M. Ground-source heat pumps systems and applications[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews2008(12)344-371.

[3] 於仲义,胡平放,袁旭东.土壤源热泵地埋管换热器传热机制研究[J].煤气与热力,200828(12)A07-A11.

[4] 那威,宋艳,刘俊跃.水平地埋管冬季土壤温度场及换热性能研究[J].煤气与热力,201030(4)Al0-A13

[5] 陈友明,于宇航,莫志娇,等.竖直u型埋管地下换热器的传热模型[J].太阳能学报,200829(10)1211-1217.

[6] 刘俊,张旭,高军,等.地源热泵桩基埋管传热性能测试与数值模拟研究[J].太阳能学报,200930(6)727-731.

[7] 章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学[M].北京:中国建筑工业出版社,199315-17.

 

本文作者:刘希臣 肖益民 付祥钊

作者单位:重庆大学城市建设与环境工程学院