竖直U型地埋管换热器热短路现象研究

田伟龙 张朋勇

摘要：本文通过创建地源热泵多U型地埋管换热器模型，利用CFD软件对地埋管换热器在埋管深度、入口流速、入口温度不同时的换热情况进行模拟分析，结果表明在不同工况对的地埋管换热器的热短路情况有所不同，在进行地埋管换热器设计时需要综合考虑各种因素保证换热器有更好的换热效果。

关键词：地源热泵;地埋管换热器;数值模拟;热短路

目前人们对于竖直地埋管换热器的结构研究仍主要集中在單井埋设单U型和双U型管的地埋管换热器，对其它结构形式很少涉及。然而以上两种换热器单井换热量有限，而国内人口密度和建筑密度较大，已经迫切需要充分发挥地源热泵地埋管换热器的换热能力，提高单井换热量，来减小换热器的布置空间。为此，本文提出了单井埋设多组U型管的设想，并对多U型地埋管换热器的热短路现象进行了理论研究[3]，以供参考提出有效方案措施提高地埋管换热器的换热效率。

一、计算模型

（一）模型参数

在地源热泵地埋管换热器工程中，换热器钻井间距一般为4～6m，单井与土壤的换热半径为3m左右，故本文在以3m为界对换热器进行模拟建模，忽略钻井间的热干扰;工程中常用换热器钻井深度为40～200m，直径为100～200mm [1]。故本文采用对钻井深度为120m，直径为200mm的换热器进行建模分析[2]。

（二）求解条件设定

本文采用在冬季工况下，多U型地埋管换热器在运行到稳态时的换热情况进行分析。模拟设置中选择Pressure Based求解器、隐式求解，紊流模型选择标准的k-ε模型，三维稳态计算模式[4]。地源热泵冬季取暖工况下，设置土壤初始温度为290K，表1为模型所涉及各类材料的物性参数，并假定各材料的物性参数在换热器运行时不会发生变化。

二、模拟结果与分析

为了研究多U型管换热器的热短路现象，本文定义了多U型地埋管换热器进口支管段热短路强度ηi作为研究参数对多U型地埋管换热器受热短路现象影响程度进行了分析（其中各参数的下角标i均为单井内埋设的U型管组数）。

热短路强度ηi为单井设置i组U型管时进口段换热量两支管间距无限大时与进口段的换热量的之比减去出口段换热量与两支管间距无限大时出口段的换热量的之比的差值。

当热短路现象加强时，多U型管地埋管换热器进出口段的之间的换热得到加强，U型管换热器的进口段会与出口段交换更多的热量，这导致U型管换热器的进口段换热效率会得到加强，而出口段的换热效率相对降低。从热短路强度ηi的大小可判断换热器受热短路现象的影响程度，其值越小表明换热器受热短路现象越不明显。相反，其值越大热短路现象越严重。

（一）井深对换热器热短路的影响

本文模拟分析了钻井深度分别为60m、90m、120m、150m、180m、210m的模型在冬季制热工况下换热器的热短路强度。

模拟结果表明，在钻井深度较小时换热器的热短路强度ηi也比较小，随着钻井深度的增大，热短路强度ηi也随之增大，热短路现象得到加强;并且在钻井较深时，若深度继续增加，短路强度ηi会有更大程度的增大，也就是钻井较深时井深的变化对热短路现象的影响更大。而单井内埋设U型管组数越多，在随井深变化过程中热短路现象不太明显。

（二）进口水温对换热器热短路的影响

以下为进口水温分别为276K、278K、280K、282K、284K、286K时，其它边界条件和参数不变的工况下，多U型地埋管换热器的热短路情况。

模拟结果表明，换热器的热短路强度ηi随进口水温升高的的变化也非常小，虽然略有升高但几乎可以忽略。因此，可以忽略进口水温的改变对多U型地埋管换热器热短路现象造成的影响。

（三）进口水温对换热器热短路的影响

为研究循环水进口流速对多U型地埋管换热器热短路现象的影响，对进口流速为0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1m/s、1.2m/s时的换热器模型进行了模拟分析。

模拟分析结果表明，在流速较低时多U型管换热器的热短路强度ηi很高，随着流速的增加，热短路强度ηi开始很迅速下降，然后下降幅度渐渐放缓，最后基本保持稳定，而且在单井内埋设U型管越多热短路强度ηi越小。

虽然较大的流速既可以提高多U型管换热器的单井换热量，又能减弱U型管支管间的热短路现象，但一味的增大流速会使循环水在U型管内的压力损失越来越大，最终需要的水泵杨程会很大，这是实际工程所不想看到的，因此进口流速不宜过大。

三、结论

本文对单井埋设多U型地埋管换热器支管间热短路现象受各因素的影响情况进行了研究分析。通过比较多U型地埋管换热器进出口段的热短路强度ηi在各因素下变化的原理，得出以下结论：

（一）在相同运行工况且其它参数相同的情况下，单井内U型管组数的改变会使单井换热量发生改变，但由于单井内U型管组数的增加，导致了进出口温差的减小，且温差变化随各因素变化的程度也越小，这就导致了工况相同、参数相同时，单井内埋设U型管组数越多，支管间的热短路现象随各因素的影响越不明显。但当进出口温差相同时，单井内埋设U型管组数越多，各支管间的热短路现象则越明显;

（二）钻井深度的增加虽然可以提高多U型地埋管换热器的单井换热量，但也同时会加剧各支管间的热短路，因此，钻井深度不宜太深。但由于单井内U型管组数越多，热短路越弱，若考虑采用单井内埋设多组U型管，则可视情况适度增加钻井深度;

（三）多U型地埋管换热器支管间的热短路受进口水温的改变的影响不大，几乎可以忽略。

（四）但进口流速对其影响却很明显。进口流速越高，支管间的热短路现象越不明显。但流速增加，会造成管内压力损失过大，不利于工程应用，因此进口流速也不宜过大;

参考文献：

[1] 鲍宇.竖直双U型地埋管换热器换热性能的数值模拟分析[D].湖北工业大学.2018

[2] 李欢.地源热泵竖直单U型地埋管传热模型研究[D].安徽工业大学.2019

[3] 杨正武.U型地埋管换热器热短路特性研究[D].西南交通大学.2009

[4] 韩静洋.竖直U型地埋管换热器在不同条件下的传热性能对比[D].河北科技大学.2020

作者简介：田伟龙（1988—），男，汉族，河北石家庄市人，中级工程师，工程硕士，中国核电工程有限公司河北分公司，暖通设计。