层状土壤条件下竖直地埋管换热器内水温变化特性★

于艳红 王松庆

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

地源热泵是利用浅层地热能，既可供热又可制冷的节能、无污染的空调系统。但是，随着地源热泵系统长期运行过程中冷、热负荷不匹配，土壤热失衡问题随之产生[1-3]。这种情况在寒冷和严寒地区尤为突出[4]。竖直地埋管是地源热泵的一种常见的布置形式，土壤源热泵在实际工程应用中，由于受到占地面积和换热稳定性等因素的限制，土壤源热泵系统室外地下换热器多采用竖直地埋管换热器，埋管深度一般为50 m～200 m，通常会跨越不同的地质层。

Bai L等[5]利用有限元分析软件模拟的热通量的变化与土壤源热泵地下土壤温度变化平均值，但并没有对地埋管换热器在不同分层位置内部流动工质温度变化特性进行分析。Philip[6]等研究了非等温非饱和土壤中水的运动情况，并考虑了温度对水分迁移的影响；为本文研究思路提供了参考，高青等[7]基于实验平台分析了埋管在不同模式下周围土壤热响应特性，郝赫[8]则从岩土体导热系数、建筑负荷等五个方面分析了对地源热泵的敏感性影响；Wang Z等[9]提出了一种预测不同温度下土壤导热系数的新模型，一个热湿耦合传递的数学模型在非饱和土建立了地埋管换热器，但上述并没有针对跨越非饱和/饱和层状土壤条件下竖直地埋管换热器传热性能和传热性能影响机制进行研究与分析。陈衡[10]研究了土壤分层对竖直地埋管换热器的换热性能影响，为本文研究提供了参考但并没有对土壤的非饱和/饱和问题深入研究。

因此，为了完善上述原因的限制，本文将构建跨越非饱和土与饱和土模型，并运用数值仿真研究方法探究跨越非饱和/饱和土换热器进水管温度变化规律。

1 理论计算模型建立

由于考虑了非饱和土壤与饱和土壤的分层问题，不同土层传热特性存在差异，如果仍将地埋管换热器单位埋深换热量考虑为常数或忽略地埋管换热器内循环液温度的沿程变化，则势必会对计算结果产生较大的偏差，因此对于本文研究内容而言，必须准确合理建立地埋管换热器内流体的能量方程，考虑地埋管换热器与土壤换热时，循环液体温度沿程变化对地埋管换热器传热特性的影响，结合上述非饱和土壤与饱和土壤能量方程，构建适合本文研究地埋管换热器传热机理模型，本文采用Realizable k-ε模型[11]描述循环液在地埋管换热器内的流动和传热，主要连续性方程、动量方程和能量方程分别如下：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

湍流动能k方程：

(3)

ε方程：

(4)

2 数值模拟模型建立

本文以竖直地埋管换热器进水管温度变化特性为主要研究对象，主要通过数值模拟来分析跨越非饱和/饱和层状土壤竖直地埋管换热性能研究，土层模拟深度100 m，假设把土壤均分为五层，水平均匀分层，竖直地埋管换热器跨越不同土壤层，共设置5个监测点，每层1个，地埋管换热器系统示意图如图1所示；每个监测点设置在每层土壤进水管中心位置，监测点具体位置间隔距离如表1所示。

表1 监控点的位置选取 m

3 结果及分析

本文模拟了地埋管换热器夏季和冬季两种工况下该模型的运行，假设土壤分层均匀，每层土壤参数不发生变化。模拟工况与土壤的物性参数分别如表2,表3所示。

表2 模拟工况模拟参数

表3 土壤模拟参数

地埋管换热器中，5个监测点在夏季工况连续运行14 d的温度变化情况如图2所示。从图2可以看出5个监测点都呈上升的趋势，在系统运行前期，监测点1和监测点2的温度变化不显著，而监测点3、监测点4、监测点5变化较为明显。在系统运行到第14天时，各监测点的温度低于换热器进水管初始温度，监测点1在第14天的温度与第1天的温度相比，温度升高0.45 ℃,同比上升1.0%，监测点2在第14天的温度与第1天的温度相比温度升高0.62 ℃，同比上升1.31%，监测点3在第14天的温度与第1天的温度相比温度升高0.88 ℃,同比上升1.96%，监测点4在第14天的温度与第1天的温度相比温度升高1.35 ℃,同比上升3.0%，监测点5在第14天的温度与第1天的温度相比温度升高2.29 ℃，同比上升5.01%，监测点3、监测点4、监测点5处于饱和土层中的地埋管换热器中，监测点1、监测点2处于非饱和土层中的地埋管换热器中，在系统运行14 d时，各个监测点温度与第1天相比，饱和土层中地埋管换热器的监测点温度变化比非饱和土中地埋管换热器的监测点温度变化幅度大，这也是因为换热器内各个监测点的水温随着土壤与换热器的不断换热，土壤的温度逐渐升高，地埋管换热器内水温与土壤的温度差越来越小，土壤换热能力减弱，地埋管换热器内水温逐渐上升，因此饱和土的导热性优于非饱和土。

各个监测点在冬季工况连续运行14 d的温度变化情况如图3所示。从图3可以看出5个监测点都呈上升趋势，运行后期至运行结束各个检测点温度趋于稳定，监测点1和监测点2在运行前期温度没有太大变化，基本呈不变趋势，监测点3、监测点4、监测点5温度变化较为明显，监测点3在运行中期温度变化较大，监测点4和监测点5在运行初期温度变化较大并一直持续到后期温度变化才逐渐放缓，在系统运行到第14天时，各监测点的温度高于换热器进水管初始温度，监测点1在第14天的温度与第1天的温度相比，温度降低0.49 ℃,同比下降7.0%，监测点2在第14天的温度与第1天的温度相比，温度降低0.61 ℃，同比下降8.71%，监测点3在第14天的温度与第1天的温度相比，温度降低0.81 ℃,同比下降11.58%，监测点4在第14天的温度与第1天的温度相比，温度降低1.1 ℃,同比下降15.71%，监测点5在第14天的温度与第1天的温度相比，温度降低1.55 ℃，同比下降22.14%，监测点3、监测点4、监测点5处于饱和土层中的地埋管换热器中，监测点1、监测点2处于非饱和土层中的地埋管换热器中，在系统运行14 d时，各个监测点温度与第1天相比，饱和土层中地埋管换热器的监测点温度变化比非饱和土中地埋管换热器的监测点温度变化幅度大，在冬季工况运行下同样是饱和土的导热性优于非饱和土。

4 结语

本文对比分析了地埋管换热器管内水温变化特性，研究结果表明换热器在饱和土壤的换热性优于非饱和土，竖直地埋管换热器在实际工程中常常跨越不同饱和度的土壤，应考虑土壤分层中跨越非饱和土和饱和土时竖直地埋管换热器换热性能的影响，为地埋管换热器的设计提供新思路。