温度场换热源热泵见图越大呈圆形 地下水渗流对地埋管换热器周围温度场的影响

地下水渗流对地埋管换热器周围温度场的影响

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地下水渗流对地埋管换热器周围温度场的影响
刘 虎1,晋 华1,2,邢述彦1,2,段 妍1,郝晓燕1
(1.太原理工大学水利科学与工程学院,山西太原030024;2.太原理工大学水资源与环境地质研究所,山西太原030024)
摘要:为确定地下水渗流对土壤源热泵地埋管换热器周围温度场的影响,以U型地埋管换热器传热系统为例,构建了等效当量直径的单管圆柱换热器传热物理和数学模型,并用多物理场耦合分析软件COMSOLMultiphysics 4.2a对夏季工况下地埋管换热器周围温度场进行数值模拟计算,通过有无渗流条件下不同导热系数、孔隙率土壤温度场变化的对比分析,确定引起温度场变化的主导因素,为下一步试验提供了重要依据。
关键词:地下水渗流;土壤源热泵;地埋管换热器;周围温度场;热渗耦合
中图分类号:TV139.16文献标志码:A
文章编号:1000-7709(2012)12-0117-04
土壤源热泵系统在实际应用中,由于占地面积的限制和系统换热稳定性的影响,土壤源热泵系统的室外换热部分大多采用垂直U型地埋管换热器,埋管深度一般20~200m,管段的大部分位于地下水位以下,因此地下水渗流对换热器周围温度场的影响尤为重要,尤其是孔隙率、渗流系数均较大的地区。目前,关于垂直U型地埋管换热器的传热模型均是基于线热源理论、圆柱热源理论的纯导热模型,而在实际现场测试中发现土壤导热系数比实际值偏高[1]、夏季管内流体实测温度比模拟值偏低[2]等问题,因此地下水渗流对地埋管换热器传热性能的影响引起了关注并进行了研究[3~6]。结果表明,地埋管换热器周围温度场的变化是由换热器周边土壤与土壤、土壤与水的热传导及地下水渗流热对流的共同作用,与土壤的热物性、土壤含水量和地下水的渗流速度有关。因此,本文在已有研究的基础上,根据多孔介质渗流和传热理论,构建了垂直U型地埋管换热器的非稳态热渗耦合传热模型,分析了地下水渗流对地埋管换热器周围温度场的影响。
1·模型建立
1.1 物理模型
U型地埋管换热系统是一个复杂、开放的系统,由U型地埋管换热器、管井回填料及周围土壤组成。一般回填料选用与地层岩性相近的材料,以获得与地层相一致的传热性能,因此可将地埋管换热系统概化为U型地埋管换热器、土壤和水组成的多孔介质两部分。换热过程概化为U型地埋管换热器与土壤之间的热传导、土壤与土壤的热传导、土壤和地下水之间的对流传热及地下水的热对流等4种形式。将U型地埋管换热器概化为一等效当量直径的单管圆柱换热器,等效单管的当量直径为Deq=(2D0Lg)1/2,其中D0为U管管腿外径,Lg为U管两管腿间距。系统物理模型见图1。

1.2 数学模型
1.2.1多孔介质渗流理论
采用代表性单元体体积平均法,多孔介质的质量守恒方程表示为:

式中,ρ为液体密度;ε为孔隙率;u为渗流速度;Qm为单位体质量;κ为渗透率;μ为动力粘度;P为压强。
1.2.2 多孔介质传热理论
将能量守恒定律应用于多孔介质的传热分析中,即可获得单相流体非等温渗流的能量方程:

式中,CP为液体比热容;(ρCP)eq为等效热容;T为在线源上任意指定距离处的地下温度;keq为流固耦合的等效热导率;Q为热源;kP为固体热导率;k为液体热导率;ΘP为固体体积分数;ΘL为液体体积分数。
2·模型计算
根据《地源热泵系统工程技术规范》[7],竖直地埋管换热器埋管钻孔间距应满足换热需要,间距宜为3~6m及文献[8]中热作用半径不大于3m,设计模拟条件下的地埋管换热器系统为正方形ABCD区域(图1),以D为坐标原点,边长6m,坐标(3,3)点为等效管的圆心,模拟夏季工况条件下地埋管换热器对周围土壤的热堆积效应。模型参数为:①U型地埋管换热系统条件设定。U型管径为32mm,管间距为150mm,埋深80m,回填料为原始土。②土壤热物性参数。土壤密度ρ=2 000kg/m3,比热容CP=1 200J/(kg·K),导热系数λ=2W/(K·m),孔隙度Φ=0.3,渗透率κ=0.01。③初始温度条件。等效埋管初始温度为308.15K,土壤初始温度为288.15K。④模拟边界条件。图1中,设AB、BC、CD、DA均为恒温边界,温度为288.15K。AD为地下水入口边界,BC为地下水出口边界。
采用COMSOL Multiphysics 4.2a软件的网格编辑器进行网格划分,本次模拟在温度场和速度场变化剧烈的地方和方向密集划分网格,而在温度场和速度场变化缓慢的地方和方向疏松划分网格,共剖分2940个网格,见图2。

3·结果与分析
3.1 不同导热系数的温度场变化
根据模型参数设置,分别对导热系数为0.9、3.6W/(m·K)有无渗流时的温度场进行模拟计算,系统运行72h的数值模拟结果见图3。

由图3可看出:①图3(a)、(b)为无渗流时,随着导热系数的增加,土壤的热作用半径增大,温度场呈圆形对称分布,温度梯度由圆心向外逐步减小。在λ=0.9、3.6W/(m·K)时,土壤的热作用半径分别为1.5、1.7m。②图3(c)、(d)是渗流速度ν为5×10-6 m/s的模拟结果,温度场呈椭圆形分布,与无渗流相比,以地埋管换热器中心为界沿着渗流方向土壤的热作用半径增大,逆渗流方向土壤的热作用半径减小,垂直渗流方向的热作用半径减小。③渗流条件下温度场与无渗流条件下温度场有明显的差异。无渗流条件下温度场以地埋管为中心呈圆形对称分布,渗流条件下温度场则沿渗流方向有明显的拉伸现象,且与无渗流相比温度梯度减小,渗流对地埋管换热器的传热有较大的影响。
3.2 不同孔隙率时的温度场变化
根据模型参数设置,分别对孔隙率为0.1、0.4时有、无渗流时的温度场进行模拟计算,系统运行72h的数值模拟结果见图4。由图可看出:①图4(a)、(b)为无渗流时,随着孔隙率的增加,土壤的热作用半径减小,温度场呈圆形对称分布,温度梯度由圆心向外逐步减小。在φ=0.1、0.4时,土壤的热作用半径分别为1.7、1.5m。②图4(c)、(d)是渗流速度为5×10-6 m/s的模拟结果,温度场呈椭圆形分布,与无渗流相比,以地埋管中心为界沿着渗流方向土壤的热作用半径增大,逆渗流方向土壤的热作用半径减小,垂直渗流方向的热作用半径减小。③渗流条件下温度场与无渗流条件下温度场有明显的差异。无渗流条件下温度场以地埋管换热器为中心呈圆形对称分布,渗流条件下温度场则沿渗流方向有明显的拉伸现象,且与无渗流相比温度梯度减小,渗流对地埋管换热器的传热有较大的影响。

3.3 不同渗流速度对温度场的变化
模型参数在其他物性参数不变情况下,分别对渗流速度为5×10-6、1×10-5 m/s的温度场进行模拟计算,系统运行72h的数值模拟结果见图5。由图可看出:①地下水渗流速度越大,热作用范围越小,沿渗流方向的传热作用增强、温度场被拉伸越大,垂直于渗流方向的传热作用减弱、温度场被压缩,椭圆形的温度场沿渗流方向变得更扁平。即地下水渗流速度越大,热对流的主导作用越显著,地下水对地埋管换热器的换热影响程度越强。②地下水渗流可增强换热器的热交换能力,提高换热效率,能有效减少土壤源热泵长期运行造成的热量累积效应。
4·结语
a.采用COMSOL Multiphysics 4.2a商业软件对地埋管换热器周围温度场进行了模拟,为预测和评估土壤源热泵开发利用对地下岩土环境影响提供了方法和手段。
b.通过模拟结果得出,在有无渗流条件下地下水渗流能增强换热器的换热效率,能有效减少土壤源热泵长期运行对地下岩土环境造成的不良影响。
c.地下水渗流对温度场的影响是个复杂的过程,本文仅研究了影响温度场变化的主要因素,不同工况下不同岩土体内地下水渗流对地埋管换热器温度场的影响,还有待于进一步研究和验证。
参考文献:略


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