单U 地埋管换热器分层模型夏季实验验证

陈金华 高崇 张腾 路立地

1 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室

2 低碳绿色建筑国际联合研究中心

0 引言

随着气候变暖、能源短缺等问题的逐渐突显，社会上对于建筑节能的要求与呼声越来越高，地源热泵技术因其高效节能的特点愈加受到重视[1]。其中竖直单U 地埋管地源热泵的形式因为具有节约用地、运行可靠且适用性较为广泛的优势，得到了非常广泛的研究与应用。在地埋管地源热泵系统中，地埋管换热器扮演着最为重要的角色，其运行情况直接决定了系统运行的可靠性与节能效果。建立模型对地埋管换热器进行研究是分析其性能的重要手段，对地埋管地源热泵系统的设计及运行起着巨大作用，故建立准确的换热模型意义重大。

目前建立的大多数模型均是将地埋管换热器周围的岩土当做均一物质，整个岩土各部分热物性质相同。而实际情况则是地下岩土由多种地质组成，同种地质的含水率不同，地下水渗流情况不同，均会使地埋管换热器的换热受到影响，地下岩土的热物性质应分为多层。

有研究表明将岩土看做均一物质将会出现较大误差：王冠军[2]通过模拟，得出当土壤导热系数按照中间向两边递增的变化时换热效果最好，中间向两边递减设置时换热效果最差的结论。於仲义[3]通过地质轴向与竖向分层同样证明了不同的地质组成对地埋管换热器的能效系数会造成不同的影响。Abdelaziz[4]与Perego[5]研究表明对具有强异质性的土壤采用均匀模型，其结果存在较大误差。

针对实际岩土存在的分层现象，一些有关分层的研究逐渐开展。王泽生[6]根据岩土体地质种类分层的特点，建立了U 型地埋管换热器分层稳态换热模型。Li[7]研究了不同地质分层且地下水渗流流速不同的岩土对于地埋管换热器的影响。BniLam[8]使用光谱元素方法对于非均匀多层系统进行分析与求解。

已有研究中，未能有简单且同时考虑地下水渗流与地质分层的模型，有关模型的建立需准确的获得地下的含水率及渗流情况，而实际过程中有关地下的含水率及渗流速度等有关参数难以获得。笔者提出了一种综合考虑岩土分层的求解及分层方法[9]，建立了竖直双U 地埋管换热器换热模型，并对其进行了验证。本文采用该方法，对竖直单U 地埋管换热器分层换热模型进行夏季工况检验，分析该方法是否可以应用于单U 地埋管换热器的分析。

1 分层换热模型及验证实验

笔者曾提出过一种分层方法[9]，根据相关规范[10]，充分利用热响应测试与地勘的结果，对项目岩土热物性参数进行了求解，各层热物性参数如表1 所示，并在该项目处继续建立竖直单 U 地埋管换热器实验测试井，对其实际运行参数测试。测试井的埋深为 100 m，管材为PE 管，外径为32 mm，壁厚 3 mm，供回水管间距为 75 mm，钻孔直径为130 mm，管内流体为水。

表1 岩土分层情况及热物性参数

本实验在地埋管进出水处布置温度测点，并在地埋管不同埋深进出水管管壁上布置温度测点，具体布置情况如表2 所示。温度测点均是使用铜-康铜T 型热电偶，标定后精度：±0.5 ℃。数据采集使用Agilent-34970A Bench Link。本实验的流量测试使用TFX10209X1 超声波流量计，测量范围为 0～12 m/s，精度为±%1。

表2 单U 地埋管地下管壁测点布置情况

为验证竖直单 U 地埋管换热器夏季运行工况的准确性，在供冷季进行测试，时间为 2012 年 6 月 7 日至2012 年7 月3 日，为期27 天，共计648 h。

根据埋管的有关实际尺寸及分层情况建立网格，如图1 所示，模型尺寸为半径×高为3 m×100 m。其他有关热物性参数设置见表3。

图1 单U 地埋管换热器分层物理模型示意图

表3 岩土分层情况及热物性参数

将实际运行过程中的地埋管进水流速和温度作为边界条件，将出水温度的模拟结果与实验数据进行对比。

2 结果分析

实验过程中逐时模拟值与实测值如图 2 所示，实验过程中，随着时间的推移，室外温度逐渐升高，使室内冷负荷相应增加，因此进水温度随着负荷增加也逐渐升高。竖直单U 地埋管出水温度模拟值与实测值随时间变化趋势一致，且几乎重合，其相对误差如图3 所示，相对误差范围在 0～1.48%之间，平均相对误差为0.67%，模型有较高的计算精度。

图2 夏季逐时进出水温度实测模拟对比

图3 夏季逐时进出水温度实测模拟相对误差

进出水温度的温差直接决定地埋管换热器的换热量，故对其进出水的模拟与实测温差进行分析。如图4 所示，模拟进出水温差与实验数据吻合度较高。温差的相对误差如图5 所示，相对误差范围在0.02%～15.99%之间，平均相对误差仅为7.41%。

图4 夏季逐时进出水温差实测模拟对比

图5 夏季逐时进出水温差实测模拟相对误差

对各埋深处管壁温度进行验证，由于数据量较大，因此仅选取第5、10、20、27 天各埋深模拟温度与实测温度的相对误差进行对比，其结果如图6 所示，其中G5 表示供水管 5 m 埋深处的管壁温度，H 5 表示 5 m埋深处的管壁温度，其余各位置编号均按照此规律。由图6 中可以看出，各个埋深的管壁模拟温度与实测温度相对误差在0.51～1.95%范围内波动，平均相对误差为1.26%，整体相对误差较小。

图6 夏季各埋深管壁温度模拟与实测相对误差

3 结论

通过竖直单 U 地埋管换热器夏季工况实验与模拟对比分析，得到以下结论。

1）夏季工况出水温度最大相对误差为 1.48%，平均相对误差为 0.67%，进出水温差最大相对误差为15.99%，平均相对误差为 7.41%，该分层换热模型具有较高的准确性。

2）该模型夏季工况各埋深管壁温度的实测与模拟的相对误差均小于 2%，平均相对误差为 1.26%，进一步证明该模型的准确性。

3）该分层模型应用在单 U 地埋管换热器具有较高的精确度，为后续的单U 地埋管换热器有关研究与设计提供了一种依据与方法。