夏季工况下宿州地区U型管换热器换热效率模拟与分析

2021-04-02张洋程海峰张举杨叶萌王庚

安徽建筑 2021年3期

张洋，程海峰，张举，杨叶萌，王庚

（1.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥 230601；2.建筑能效控制与评估教育部工程研究中心，安徽合肥 230601；3.智能建筑与建筑节能安徽省重点实验室，安徽合肥 230601；4.安徽建筑大学建筑室内热湿环境实验室，安徽合肥 230601）

1 概述

本文通过对宿州地区单U深井式地埋管换热器建立地埋管换热器的管内外耦合全尺寸三维动态数值计算模型，对该地埋管换热器的换热性能等进行数值仿真模拟并与实测结果进行比较分析。项目地点位于宿州市埇桥区（其地理坐标为：东经 11656'28"～11701'09"，北纬 3337'52"～3340'42"）。钻井深度100m，回填材料为原土回填，其中单U地埋管采用高密度聚乙烯材质（HDPE），管径为20mm，地下钻井直径140mm。单U地埋管换热器截面和剖面结构如图1、图 2。

图1 单U换热器横截面图

图2 单U换热器剖面图

2 模型的建立

2.1 基本假设

适当的假设能够在确保研究数据准确度为前提的条件下加快模型运算速度，合理的假设对于解决问题而言十分重要。为了更好地分析，按照实际情况做出下列的假设：

①假设地表温度变化忽略不计，土壤的初始温度在无穷远处也不发生变化且均匀一致；

②假设换热器周围的复杂固液混合物为均匀固体，忽略周围岩土体渗流带来的影响，热量交换仅以导热形式进行；

③假设换热管内流体为理想工况即管内同一截面的流体具有相同的温度与流速；

④假设换热装置周围为均匀的岩石、土层和回填料，往径向和竖向延伸，其热物性参数不变；

⑤假设忽略回填材料的接触热阻，地埋管与周围岩土以线热源方式进行换热。

2.2 三维模型的建立

根据以上假设，利用COMSOL软件建立模型，如图3、图4。

图3 顶部模型图

图4 底部模型图

2.3 三维模型网格分析

本模型外部土壤模拟为半径5m内土壤换热，井内PE管直径仅为20mm，构建网格较为复杂，为使模拟计算尽可能精准快捷，所以采用分区构建的方法。构建如图5、图6。

图5 换热系统网格

图6 底部单U部分网格

3 模型的验证

为了验证模型，根据地源热泵运转情况实测分析，得到包括进出口水温在内数据，查阅资料及对宿州地区进行岩土热响应实验，可以得到COMSOL模型各部分热物性。宿州地区地属华北平原，地层大多属于第四系，土壤类型以粉质黏土、粉土和粉质沙土为主，土壤平均热导率为 1.8W/（m·K），平均比热容为2.8MJ/（m·K），初始地温为18℃。地层平均初始温度随时间变化曲线图如图7。

图7 地层平均初始温度随时间变化

岩土体平均初始温度测试历时5.8h，在未向地埋管提供冷、热量的情况下保持地埋管内水以1.5m/h的流量循环流动，测得的循环水温度即为岩土的平均初始温度。经测定，试验孔岩土平均初始温度为18.2℃，即初始地温。

根据实际的进水温度，经过模拟，可得实际与模拟所得的出水温度曲线如图8。

图8 出口温度模拟计算结果与实测结果对比图

本次模拟为从当日下午8点到次日下午7点，每隔1小时记录一次出口温度，共模拟了机组在夏季稳定运行24小时的工作状况，与相同工况下，机组实际稳定运行24h所测得的出口温度进行对比。由图8可知，实测出口温度比模拟值较低，是因为土壤中有地下水的存在，所以土壤中存在热对流，而本模拟把土壤的传热看作为纯导热处理，因此实际的传热效果要好于模拟效果。通过查阅宿州地区水文地质资料，宿州地区100m深度土壤温度大概在18℃，与实验模拟设定地温一致。而试验出口水温值取稳定运行状态下24h时间段的数据，可以看出实验与模拟所对应的趋势一致，出口水温值较为吻合，误差不足实际数值的5%，二者之间最大差值仅为0.6℃，即验证了本文所采用的的数值模拟和计算方法的合理性。

4 换热效率影响因素的分析

4.1 循环流体流速

实际测算过程中发现，循环流体的流速对系统换热性能有较大影响。为了探究循环流体流速对地热井换热性能的具体影响，本文展开具体的分析研究。本文第2、3章所建传热模型模拟流速与实际机组运行循环流体流速一致，为1.5m/h，且经过验证符合实际情况。所以在原模型基础上改变流速，得到不同流速下相同时刻的进、出口温度模拟如图9～图13。

图9 流速为0.5m3/h

图10 流速为2.5m3/h

图11 流速为3.5m3/h

图12 流速为4.5m3/h

图13 流速1.5m3/h，进口水温26℃

由图9～图13可知，当循环流体流速分别为0.5 m/h，1..5 m/h，2.5 m/h，3.5 m/h，4.5 m/h逐渐增加时，系统进水温度一定，设定为26℃，出水口温度逐渐升高。假设以稳定进口流速工作，不同流速各自工作一小时，出口温度及换热量模拟数据绘制如图14、图15。

图14 出口温度随循环体流速变化图

图15 换热量随循环体流速变化图

由图14、图15可知，当循环流体流速逐渐增加时，出口温度逐渐增大，温差减小，但因为流速大，循环水体流量大，所以整体上系统的换热量仍处于增加趋势。而且可以看出，当流速较小时，流速的增加，系统换热能力显著增加，当流量增加到一定程度，换热量增加的趋势逐渐变缓并趋于稳定。而对于地源热泵系统，流量越大，循环水泵功耗也就越大，系统功耗也越大。所以循环体流速对地埋管换热器换热效率影响很大，但并非流速越大，系统就越节能，要根据实际需求及系统需要的出水温度，结合系统功耗及换热量，比较换热量和水泵功耗，确定最合理的循环体流速，以保证系统在最节能的方式下正常稳定运行。由分析可知，进水流速达到3.5m/h，系统换热量基本稳定，最适宜的入口流速区推荐在1.3m/h～2.3m/h。

4.2 U型管进口水温

因为单U型地埋管换热器进口水温不同会直接影响系统在地下的换热量，所以在确定系统的进水口流速情况下，分别设置不同的进水温度，根据已验证的COMSOL模型，得到各个不同进口水温条件下，进出口温度分布图17～图20。

由图13，图16～图19可知，当循环水流速一定时，换热系统分别以22℃、26℃、30℃、34℃、38℃的进口水温工作，出口水温也有较大差别，为逐渐升高趋势。假设系统以1.5m/h的进口流速下稳定运行一小时，由模型计算，可得出口温度及换热量在不同进口水温下的变化如图20、图21。

图16 进口水温22℃

图17 进口水温30℃

图18 进口水温34℃

图19 进口水温38℃

图20 出口温度随循环水进口温度变化图

图21 换热量随循环水进口温度变化图

由图20、图21可知，当循环水进口水温逐渐增大时，出口水温随之增大，换热量也逐渐增大，但增大趋势明显减小，由此可知进口温度的高低对地下换热系统的性能具有较大影响。而且系统的换热能力是受到实际条件限制的，夏季制冷工况，过高的进水温度，会使出水温度更高，系统的制冷效率降低，热泵机组效率下降。当地埋管出口水温超过热泵机组进口水温时，则会导致机组停机保护，甚至可能会使地下土壤层造成“热堆积”现象，对环境和周围生态平衡造成损害。因此，换热器内循环水进口温度的选择应该综合考虑系统换热量及热泵机组的性能等因素，在满足系统正常稳定运行的前提下确定最佳的循环流体进口温度。由分析可知，进水温度达到37℃，换热量基本不变，最适宜的进水温度区推荐在26℃～30℃。