多钻孔竖直U型埋管换热器传热研究

1、    多钻孔竖直U型埋管换热器传热研究                         更新时间：2010-09-20 16:02:21               &

2、#160;            引言    被称为21世纪“绿色空调技术”的地源热泵技 术越来越受到人们的关注。多数研究者们对地源热 泵的研究主要集中在单 个钻孔地埋管换热器的传热性能上 1，2 ，并得到了一些有用的结论。然而，实际 工程中，埋管换热器系统通常都是由多眼钻孔组 成 的 3，4 ，如果用以往的传热模型对其进行模拟，将单 钻孔模拟的结

3、果进行简单的叠加来对多钻孔温度场 进行模拟，则不能真实和准确的反映整个 钻孔区域内土壤的温度变化。    以多钻孔系统为研究对象，利用传热理论和数值方法对土壤温度场进行模拟，模拟结果能更真实和直观的反 映实际情况。通常系统施工时设置埋管的场地和钻孔的深度都会受到限制，因此钻孔的布 置形式和间距的选择就显得至关重要。通常地源热泵系统地下管群换热器 的布置形式有两种，分别为顺序排列和交叉排列。本文针对以上两种典型的布置形式进行研究，分析系统运行时间及钻孔间距和布置形式对土壤温度场的影响。    1&

4、#160;传热模型及网格划分    (1) 模型的建立基于如下假设:忽略地表面 温度波动对土壤温度的影响，认为土壤初始温度均 匀一致，恒定不变，且等于边界土壤的温度;认为 埋管和回填土 接触良好，忽略接触热阻;管壁厚度 与外界土壤相比忽略不计，即不考虑管壁热阻;不 考虑水分迁移对热量传递的影响。    (2) 几何形状:模型的几何体包括U型管内的 防冻液、U型管、回填材料及土壤。同时设各U型 埋管左侧为进液管，右侧为出液管。钻孔横截面视 

5、;为圆形，模拟范 围内土壤的横截面视为四方形，计算 面积为10 m×10 m区域，区域内布置四眼钻孔，孔 间距均相同。    (3)控制方程                      (6)网格划分    网 格划分的原则是在温度场和速度场变化剧烈的

6、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。由于地下换热器传热过程中，温 度沿径向方向变化较大，因此在水平方向上对U型管周围网格进行了局部加密。用三节点单元对U型管周围回填土及土壤进行单元划分，如图1为钻孔顺序排列的情 况，图2为钻孔交叉排列的情况。                    (7)模拟参数    热 泵在制冷模式

7、下，防冻液进出口温度分别取 为37、33(进出口液体最大温差大约为 5 5 )。研究垂直深度为2m处换热器周围土壤温 度场 的分布情况。模拟计算参数见表1 6，7 。 2系统运行时间对土壤温度场的影响 有研究表明，系统运行400 h模拟运行已经能够 很好的反映土壤 温度场的变化趋势 4 ，因此，这里 研究720 h内钻孔中心间距为4 m时土壤温度场的变 化情况。     

8、60;             从 图3图6可以看出，系统运行24 h内，各钻 孔的热作用半径(换热器中心至土壤温度为15的 界面的水平距离)均为2.04 m，说明各钻孔相互 之 间温度场基本未受影响，且四个换热器温度场分布相同。系统运行24 h以后，各钻孔间开始出现热干扰现象，随着运行时间的增长，热干扰现象越强烈。图 7表示了系统不同运行时间Y=2 m处土壤温度在X方向的温度分布。 &

9、#160;                                  表 2表示了钻孔间有热干扰时土壤的温度变化 情况，表3表示了钻孔无热干扰时土壤的温度变化 情况，两组数据具有可比性。结合图5、表1和表2， 通过比较 得

10、知各钻孔内的温度分布几乎不受钻孔间 热干扰的影响，钻孔内的温度大幅度高于周围土壤 温度，热干扰主要发生在钻孔之间，在两钻孔中间影 响最大，温升 (3.78)比无热干扰时(2.05)高 1.73(尽管最大温差不在两钻孔中间位置)。                     3 钻孔布置形式对土壤温度场的影响   

11、 模拟系统运行480 h后，钻孔中心间距分别为 4 m、5 m和6 m，钻孔顺序排列时的土壤温度分布情 况，以及钻孔中心间距为4 m，钻孔交叉排列时的土 壤温度分布情况。其他参数同上。    由图8图11可以看出，同一运行时间，钻孔 顺序排列时，随着钻孔中心间距的逐渐增大，模拟土 壤区域中间部位的温度逐渐降低。图12表示了Y =0时，土壤温度在X方向的温度分布图。      &

12、#160;             首先，对于钻孔顺序排列的情形，随着钻孔中心间距的增大，各个点的土壤温度逐渐减小，而且温度曲线也趋于平缓。这说明热泵机组运行条件相同时，钻孔间距越大，相应的可以有更多的热量排放到土壤中，即更有利于钻孔附近的土壤能源被充分利用。                 

13、60;                  其 次，当钻孔间距为4 m时，比较钻孔顺序排列和交叉排列的曲线不难发现，顺序排列的情形，土壤温度分布曲线波动很大，四个钻孔之间的温度波 动较明显，最 低温度为16.55，最高达17.54，在X方向上土壤平均温度为16.84。而钻孔交叉排 列的情形，土壤温度分布曲线相对很平缓，温度分布 均 匀，尤其是钻孔间的温度波动特别小，在X方向上土壤

14、平均温度为17.43。这说明钻孔顺序布置的方式对土壤能源的利用很不均衡，在钻孔附近的区域土壤的 冷量被大量取出，而钻孔之间的区域冷量却利用较少。而交叉排列的情形就不一样，钻孔附近区域土壤能源利用很均匀。以上分析说明从土壤能源利用均衡性角度来 讲钻孔交叉排列的形式优于顺序排列的形式。    4 结论    四个钻孔垂直U型埋地换热器运行720 h模拟 结 果表明:运行24 h以后，各钻孔间开始出现热干扰现象，随着运行时间的增长，热干扰现象越强烈。各钻孔内的温度分布几乎不受钻孔间热干扰的影响，钻孔内 的温度