大庆地区土壤源热泵垂直式U型埋管系统综合性能分析

王西奇+张浩+张佳+王封顺

摘 要：分析了大庆地区土壤情况及温度变化规律，建立了U型垂直埋管模型。针对U型埋管进出口流量、进口温度、垂直埋管深度及支管间距进行了实验模拟分析。研究表明，其他变量一定情况下，随着埋管进口流量的增大，出口温差减小，总换热量增大。随着进口水温增大，出口水温会增加，而换热总量降低。随着埋管深度增加，总换热量和出口水温都会增大，而换热效率降低。

关键词：U型埋管；进出口流量；进口温度；埋管深度

中图分类号：TU832.02 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）24-0035-02

1 概述

埋管换热器是土壤源热泵核心部分，依靠土壤常年的热稳定性进行工质换热。目前国内外学者在此方面进行了大量研究，Demir等[1]通过实验分析了埋管在土壤中的传热机制，贾永英等[2]利用ANSYS和FLUNT模拟了U型埋管非稳态传热，纪文杰等[3]利用TRNSYS仿真软件对埋管性能进行了分析测试。本文采用实验模拟与实地勘测相结合的方法，通过勘测大庆地区实际情况，建立相应的U型埋管模型，以控制变量的方法进行相应的实验研究，研究表明埋管系统换热性能与其进口流量、进口温度、埋管深度有着直接的关系，它们对埋管换热效率影响甚大。

2 U型垂直埋管模型的建立

大庆处于北纬45°46'～46°55'东经124°19'～125°12'，为严寒地区A区。依据大庆市气象资料及大庆土壤层导温系数，结合大庆土质及含水量，模拟大庆土壤温度变化情况，并设计埋管模型，如图1所示。

3 垂直式埋管性能影响分析

3.1 埋管进口流量对换热的影响

垂直式U型埋管与地下土质进行换热，设置进口流量1.0m3/h、1.1m3/h、1.2m3/h、1.3m3/h、1.4m3/h、1.5m3/h，采用控制其他变量恒定方法来研究流量不同情况下，进、出口温差变化情况，模拟结果如图2所示。结果表明，随流量增大进、出口温差逐渐变小，而总换热量逐渐变大。

3.2 进口温度对换热的影响

进口温度不同对U型埋管换热也会不同，为研究换热影响规律，设置进口水温依次为277k、278k、279k、280k、281k，模拟结果如图3所示。结果表明，随进口水温增大换热总量降低，而出口水温变大。主要因为出口水温增幅小于进口水温增幅，导致总换热量减少。

3.3 U型埋管深度对换热的影响

为研究埋管深度不同下的换热影响规律，设置埋管钻孔深度依次为40m、50m、60m、70m、80m，模拟结果如图4所示。结果表明，随钻孔深度增加，总换热量和进、出口水温都会增大，而随着钻孔深度增加换热效率会降低，投资费用会增大。因此不宜盲目增大U型管钻孔深度。

4 结束语

通过建立埋管模型，以控制变量的方法对埋管换热性能进行了模拟分析，得出各个变量对埋管换热的影响情况。结论如下：

（1）工质流量增大，进、出口温差降低，总换热量增大。

（2）进口温度增大，出口温度将增加，总换热量减小。

（3）埋管深度增大，进、出口温度和总换热量都增加。

参考文献：

[1]Hakan， Demir. Investigation of the effects of geometrical parameters on heat transfer from buried finned pipes[J]. Journal of Mechanical Science and Technology， 2013，27（8）：2497-2506.

[2]贾永英，周正.地源熱泵U型埋管非稳态传热数值模拟[J].低温建筑技术，2015，10（9）：139-141.

[3]纪文杰，游田.埋管设计对寒冷地区地埋管地源热泵系统性能的影响[J].暖通空调，2015，45（3）：113-118.endprint