进口流体温度对U型地埋管换热器换热性能的影响
【摘要】利用土壤源热泵的热传递模型，模拟分析了在夏季运行工况时不同进口流体温度下井群换热器的换热规律，探讨了不同进口流体温度对换热器换热性能的影响，得出了不同进口流体温度下井群换热器换热量的计算方法，为工程实际提供了理论依据。
0·引言
地源热泵供暖空调的优势使其成为近年来世界可再生能源利用及建筑节能领域中增长最快的产业之一[1]。在过去的10年中，大约30个国家的地源热泵年增长率达到了10%，它的主要优点是利用普通的地温制冷或供暖，达到节能的目的。目前世界安装的地源热泵系统的总容量和产热量达9500MW和52000TJ/Y（14400WH/YR），实际安装地源热泵的数量为100多万套[2,3]，我国地源热泵的应用虽然并未排在世界的前列，但是地源热泵在我国的发展已经进入我国制冷行业发展的快车道。由于地源热泵系统的关键技术集中在地下换热器传热特性以及热泵系统与埋地换热器匹配等方面[4]，国内外关于单U型地埋管周围温度场的研究做了很多工作，但实际工程的应用仅用单井是远远不够的，为了使地源热泵系统能在实际工程中广泛应用，就应该研究整个井群的换热规律，但现阶段人们对井群间相互干扰的研究较少，所以井群间影响规律的研究需要亟待解决[5,6]。
本文通过对井群传热模型的模拟分析，研究了地源热泵地能利用中地下群井换热量的分布规律，提出群井换热器中各井换热量修正系数的概念。通过模拟不同进口流体温度对井群中土壤温度场的分布影响，从而找出地能利用系统的特性和规律，并得出相应的井群换热量修正系数，修正系数的得出为整个井群换热量的计算提供了依据，为实际工程提供一套计算井群换热量的方法。
本文利用fluent软件对整个井群进行三维数值模拟，在考虑换热器内循环水流动的同时，考虑了U型管与回填土间的换热、钻孔内与钻孔外土壤的换热。在单井模型的基础上，建立三维井群换热器的物理模型，找出不同进口流体温度下井群模型的换热规律。
1·计算模型
竖排井群中各井的位置关系（如图1），分析知道井群中存在三类井[7]，即角井，边井和中井。
对于没有其它井对其换热干扰的井称为“单井”。本文根据井群中各井单位井深换热量与单井单位井深换热量的比值k，来求得井群中各井的实际换热量。根据单井单位井深的换热量公式[8]qd=cp·m·Δt/H可知，在质量流量m相同，既流体流速相同时，这个换热量是常数；在流体温升不明显时，也可将其定压比热cp按常数计算；井深H是个定值。则井群中三类井的换热量修正系数k简化为各井的进出口温差和单井的进出口温差之比，因此角井、边井、中井的换热量修正系数分别是kj=Δtj/Δtd；kb=Δtb/Δtd；kz=Δtz/Δtd。本文模拟得出了进口流体温度不同时，井群换热器中三类井的换热量和换热量修正系数值。
2·计算假设
单井模型是井群模型的基础，对单井模型的传热过程作如下假设：（1）土壤导热系数、比热、密度等热物性参数不随深度和温度变化而变化；（2）忽略系统实际运行过程中由于地下水存在发生换热现象时可能存在的热湿迁移；（3）将传热过程看作轴中心对称分布；（4）将系统运行前大地温度场看作均匀一致。
3·计算结果及分析
地源热泵工作时，埋管换热器进口水温随热泵运行工况的变化而变化，如夏季运行时，换热器进口流体温度较低，而冬季运行时进口流体温度较高。本模拟过程中，假定换热器进口流体温度恒定不变，模拟了进口流体温度分别为36℃、38℃和40℃三种运行工况下，连续运行90d时，井群换热器中三类井的进出口温差随运行时间的变化关系，模拟结果如图2所示。
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图2从上到下三组曲线依次是进口流体温度t1分别为36℃、38℃、40℃时进出口温差随运行时间的变化曲线，每一组曲线中从上到下依次是单井进出口温差Δtd、井群中角井进出口温差Δtj、边井进出口温差Δtb和中井进出口温差Δtz随运行时间的变化关系曲线。从图2可以看出，不同进水温度工况下角井、边井、中井和单井的进出口流体温差值均随运行时间的延长而逐渐减小。每种工况下各井的进出口温差值在0-20d内均是相等的，20d以后各井的温差值开始出现差别，这说明在连续运行20d时间内，井群中角井、边井和中井的换热量与单井的相同，井与井之间换热并未出现相互干扰，而运行20d以后，井群中各井排热传到了与其相邻的另一口井，从而导致井群中各个井换热量开始出现相互影响；从图2还可看出，在运行20d后，单井进出口温差值大于井群中所有井的进出口温差值，井群中角井流体的进出口温差大于边井，边井大于中井，这与三类井在换热器中的位置有关，因为井群中与角井紧密相连的有2口井，与边井紧密相连的有3口井，与中井紧密相连的有4口井，周围相邻的井越多，同样的运行时间内，其周围的井对其换热量产生的热干扰越大，修正系数就越小。进出口流体温差的变化可能引起换热量修正系数的变化，图3、图4、图5分别是循环流体进口温度t1=36℃、38℃、40℃时，角井、边井和中井的换热量修正系数kj、kb和kz的值随运行时间的变化关系曲线。
从图3、图4、图5可以看出，当进口流体温度t1=36℃时，井群间的相互影响约从第24d开始；进水温度t1=38℃时，井群间的相互影响约从23d开始；进水温度t1=40℃时，井群间的相互影响约从21d开始。这说明，不同进水温度下运行相同的时间，进水水温越高对各井之间出现热干扰越早，这是因为管内流体温度越高，流体与管外土壤的温差也就越大，传热动力也越大，U型管的换热能力越强，在同样的土壤物性条件下热量传到同一个位置所需的时间越短，井群中各井之间换热量的相互影响就越快，换热量修正系数就越小。
从图3、图4、图5还可以看出，当进水温度为36℃时井群中各井换热量修正系数值kj、kb、kz要大于进水温度为38℃和40℃时kj、kb、kz值，这主要是因为进水温度越低，管内流体与管外土壤间温差越小，从而削弱了管子与土壤间的传热。图6是热泵运行到第90d时，三类井单位井深的换热量修正系数随着进水温度的变化曲线，三类井的换热量修正系数随进口流体温度增加逐渐减小。从图6中可以查出在运行第90d时，进口流体温度在36℃～40℃范围内的各井换热量修正系数。
4·结论
通过本文的模拟分析，可以得知不同进口温度下井群中三类井的换热量修正系数，通过图3、图4、图5可以查得这三种进水温度下井群中各井的换热量修正系数，也可以通过拟合曲线得到0-90d内任意时刻36℃～40℃进水温度的各井换热量修正系数。根据以上得出的换热量的修正系数乘以单井单位井深的换热量就可以得到三类井的换热量，再根据工程实际中井群中各类井的数量就可以得到整个井群换热器的换热量。
参考文献：
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