地下水渗流对双U型地埋管换热器的模拟研究

朱勃森　张杰

摘 要：为确定地下水渗流对双U型地下埋管换热器换热性能的影响，利用FLUENT软件建立实际尺寸的双U型埋管钻井换热模型和周围土壤多孔介质模型，分别对土壤中无地下水渗流和有地下水渗流且渗流速度为2×10-6m/s时对换热器换热量和地下土壤温度场影响进行模拟研究。结果表明：在其它工况不变情况下仅改变地下水渗流速度（由0m/s到2×10-6m/s），埋管流体出口温度随着渗流速度的增大而减小，埋管的进出口温差相应的随着渗流速度的增大而增大，导致双U型埋管与土壤间的换热量越来越大，地下水渗流增强了双U型埋管的换热能力。

关键词：地下水渗流；双U型埋管换热器；模拟研究

中图分类号：P641.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）17-0047-03

Abstract： In order to determine the effect of groundwater seepage on the heat transfer performance of double U-shaped buried tube heat exchanger， the heat transfer model of double U-shaped buried pipe drilling and the porous media model of surrounding soil were established using FLUENT software. The effects of heat exchanger heat transfer and soil temperature field on the heat transfer of the heat exchanger were simulated when the seepage rate was 2×10-6m/s and there was no groundwater seepage in the soil. The results show that when the flow velocity of groundwater is changed only in other conditions（from 0m/s to 2×10-6m/s）， the outlet temperature of buried pipe decreases with the increase of seepage velocity， and the temperature difference between inlet and outlet of buried pipe increases with the increase of seepage velocity. As a result， the heat transfer between double U-type buried pipe and soil is increasing， and the heat transfer capacity of double U-shaped buried pipe is enhanced by groundwater seepage.

Keywords： groundwater seepage； double U-shaped heat exchanger； simulation study

引言

在我國的南方，夏季的供冷能耗是建筑能耗的重要组成部分，并且在建筑总能耗中占有很大的比例。与传统中央空调供冷相比，地源热泵系统具有高效、节能、环保、稳定的优点，因此研究地源热泵技术对减少建筑能耗有着十分重要的作用[1-2]。对于地源热泵来说，地下埋管与土壤间的换热是影响地源热泵系统的关键环节[3-4]。竖直U型地埋管是目前应用最广泛的埋管方式，本文主要研究在夏热冬冷地区地下水渗流对双U型地埋管土壤温度场和换热量的影响，通过对比分析得出结论[5-8]。

本文建立了准三维双U型埋管与土壤耦合蓄热的数学模型，即地埋管在垂直方向上的一维传热和土壤在水平面上的二维传热。在考虑土壤中存在地下水渗流时，建立埋管周围土壤为多孔介质模型并认为地下水渗流仅沿一个方向以固定速度流动，采用FLUENT软件进行数值模拟，其主要内容为：（1）利用CATIA和ICEMCFD软件建立地埋管钻井的三维数学模型和地下土壤的多孔介质模型。（2）利用FLUENT软件对模型网格进行划分和设置相应的边界条件。（3）模拟系统运行15天时无地下水渗流和有地下水渗流且渗流速度为2×10-6m/s下，得出地下土壤温度场的分布云图，通过各自的进出口温差对比表明各个工况下换热量的大小，以期为实际工程设计提供指导。

1 FLUENT模拟

地埋管换热器中循环流体的流动处于端流状态并且它与土壤的换热是一个多层介质三维非稳态传热过程，所以分析其实际传热过程非常复杂。为了易于分析地埋管换热情况，我们需要对地埋管换热模型做相应的简化。本文中的模拟过程做的假设条件有：

（1）忽略地埋管内流体的横向传热，其同一水平面截面方向上温度相同，即认为循环液流速均匀不可压。

（2）忽略固体介质之间的接触热阻，即认为埋管周围土壤与回填材料之间、回填材料与U型管之间的接触非常好。

（3）忽略土壤分层，认为土壤整体物性统一不随轴向变化，并假设在整个传热过程中，土壤热物性保持不变。

（4）忽略质量力的基础上，视土壤为饱和多孔介质，而饱和多孔介质的特点是均勾、均值、刚性并且具有各向同性的性质。

（5）考虑其中的水渗流影响，忽略地下水渗流过程中纵向流动对换热的影响，即认为其只沿水平方向流动。

（6）忽略非饱和区域土壤内出现的湿迁移问题，主要针对土壤饱和区域内地下埋管的热传导特征进行研宄分析。

（7）假定土壤中固体骨架与其周围地下水的温度完全相同，固体与流体间需要达到的热平衡状态，假设其瞬间即可完成。

（8）忽略非饱和区域土壤内出现的湿迁移问题，主要针对土壤饱和区域内地下埋管的热传导特征进行研宄分析。

本文将模拟建筑热工分区为夏热冬冷地区的某地，该地区的土壤可认为均质的，为了确保数值模拟的准确性，采用FLUENT软件做数值模拟时所设置的参数尽可能的与该地区的参数保持一致。

在模型中需要定义的界面主要有：土壤的上下表面和侧面、钻井上下表面和与土壤相交壁面、埋管进出口面和壁面、钻井与埋管相交面。其主要的几个部分为：（1）土壤：土壤体材料按照多孔介质材料参数设置；土壤上表面与外界空气进行对流换热，在软件中设置热能选项（convection），室外空气温度为308K，对流换热系数如上所述；土壤侧面及其下表面都选定恒温选项，其温度为土壤初始温度290K。（2）钻井：钻井上表面设置与上述土壤上表面设置一致；钻井侧面由于其内与回填材料外与土壤传热，因此设置此面为耦合面；钻井下表面选定恒温选项，温度为土壤初始温度290K。（3）流体：流体入口边界分为入口定流速度和恒定温度，如前所述流体速度为0.4m/s，温度为310K；流体出口边界为软件默认设置；埋管管壁面也是一个耦合面，在热能选项中设置为couple，并设置管壁厚度2.2mm。

2 模拟结果的分析

2.1 在土壤中无渗流和有渗流时的模拟

根据上述模拟边界条件和相关参数的设置，认为土壤各项参数均匀一致且选取土壤中无渗流时的土壤热物性参数，当埋管流体进口温度为310K，进口流速为0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s时，在土壤中无地下水渗流用软件进行连续运行15天的模拟。这里时间步长设置为1d（1天），绘制埋管出口温度的散点图如图1所示。用软件进行连续运行15天的模拟，这里时间步长设置为1d（1天），此时土壤渗流速度设置为2×10-6m/s，其他条件设置与上述无渗流时条件设置相同，绘制埋管出口温度的散点图如图2所示。

2.2 对比分析

从图1和图2可以看出，在所选取的双U型埋管模型参数中仅改变流体入口速度这一工况，流体出口温度随流体进口速度的增大而变大，其原因为随着进口流速增大，管内流体在管中与管壁接触的时间就会减小，流体与周围环境换热不够充分，从而导致流体出口温度变大，从另一个角度也可以看出流体的进出口温差随着流体入口速度的增大而减小。对于某一固定速度而言，流体的出口温度开始最低且开始温度变化很快随后慢慢变化很小，这主要是因为刚开始土壤还未与埋管内流体通过埋管壁面接触换热，开始土壤温度和流体入口温度温差最大所以流体传热多温度降的多，而后随着换热时间的增加，埋管周围土壤温度逐渐升高，埋管内流体与土壤温差逐渐减小，换热量逐渐降低从而导致流体出口温度逐渐增大。

图1为土壤中无渗流的情况，模拟时对出口温度的监视器上可以看出，当流体入口流速为0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s时，其各自對应的后面趋于稳定的出口温度为305.81K、307.72K、308.68K，相应的进出口温差依次为4.19K、2.28K、1.32K。图2为土壤中有渗流的情况，当流体入口流速为0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s时，其各自对应的后面趋于稳定的出口温度为299.81K、301.72K、303.48K，相应的进出口温差依次为10.19K、8.28K、6.32K。相同条件下埋管换热器进出口温差越大换热量越大，由此可以说明地下水渗流增强了双U型埋管的换热能力。

3 结束语

（1）在上述所选取的参数范围内，双U型地埋管的流体出口温度随流体进口速度的增大而变大，流体的进出口温差随着流体入口速度的增大而减小。对于某一固定入口流速而言，流体的出口温度都随着运行时间的增加而减小，都是在开始变化快而后逐渐变慢。

（2）在上述所选取的参数范围内，当流体入口流速为0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s时，土壤中无渗流和有渗流时双U型埋管进出口温差依次为4.19K、2.28K、1.32K；10.19K、8.28K、6.32K，两者比值依次为2.43K、3.63K、4.78K，有渗流时双U型埋管换热量依次是无渗流时换热量的2.43、3.63、4.78倍，说明地下水渗流增强了双U型埋管的换热能力。

参考文献：

[1]蒋能照，姚国琦，周启瑾，等.空调用热泵技术及应用[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2]刁乃人，方 洪.地埋管地源热泵技术[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]徐伟.地源热泵工程技术指南[M].北京建筑工业出版社，2001.

[4]刁乃人.地埋管地源热泵技术[M].高等教育出版社，2003.

[5]刁乃仁，曾和义，方肇洪.竖直U型管地热换热器的准三维传热模型[J].热能动力工程，2003，18（14）：387-390.

[6]范蕊，马最良.地下水流动对地下埋管换热器影响的实验研究[J].太阳能学报，2006，27（11）：1155-1162.

[7]Yang W，Zhou J，Xu W，Zhang G. Current status of ground-source heat pumps in China[J].Energy Policy，2010，38：323-332.

[8]Georgios A，Florides，Paul Christodoulides. Single and double U-tube ground heat exchangers in multiple-layer substrates[J].A pplied Energy，2013，102（2）：364-373.