地埋管换热器能效系数影响因素的三维数值模拟研究

地埋管换热器能效系数影响因素的三维数值模拟研究

0地埋管传热模型地埋地源热泵系统利用放置在岩石体上的垂直地埋地幔换热器，实现清热装置和岩石体之间的换热，并利用低附加值地下能耗。如果地埋管换热器设计不当,将会很大程度上损害地埋管地源热泵理论上的潜在优势。Cane和Forgas曾经就北美地埋管标准设计方法,即国际地源热泵协会(IGSHPA)推荐的方法进行了评估,基于该简化方法的地埋管换热器设计管长都超过实际所需的10%～33%,这种比例足以使地埋管地源热泵技术的应用在短期内丧失经济性优势。因而,要提高地埋管地源热泵系统的经济性和运行的可靠性,就需要建立较精确的地埋管传热模型,并分析地埋管换热器在不同条件下的换热过程。U形地埋管换热器与周围岩土体的传热过程实际上是一个多层介质的导热过程,多为无渗流的传热过程,会受到流体流动特性、岩土体物性、埋管几何结构及地埋管换热负荷变化等诸多因素影响的复杂过程。地埋管地源热泵系统运行过程中,在进口温度一定的条件下,地埋管循环流体出口温度不仅反映地埋管与岩土体的换热效果,同时极大地影响着热泵机组的运行效率,是地埋管换热过程的一个重要能效特性参数。本文将基于能效系数概念,利用文献无渗流条件下的地埋管传热模型模拟分析地埋管传热特性及其在各种影响因素下的变化规律,为地埋管换热器的结构优化及运行模式合理化奠定理论基础,从而给地埋管地源热泵系统的推广和应用提供技术参考。1计算嵌入热交换器换热器的变换值的条件1.1埋地管道的结构和岩石的物理条件为了研究地埋管换热器在无渗流条件下的换热特性,本文针对地埋管地源热泵夏季空调工况进行计算分析,采用的基本模拟条件如表1所示。1.2模拟无穷远边界值埋设于岩土体中的单U形地埋管实际上是位于无限大介质中,无边界条件限制。要在数值模拟中完全实现工程应用的地埋管传热物理模型相当困难,因此必须选择适当的边界值以保证在模拟计算中边界不受地埋管排热或放热的影响。无渗流条件下的地埋管传热是向四周呈圆形辐射状传热,以半径rs表示模拟无穷远边界值,一般取值范围为几百倍到几千倍的地埋管外径,考虑对称性,计算域可取圆的一半,如图1所示。rs越大,边界发生热扰动的可能性越小,计算的精确度就越高,但这对计算机的性能要求较高,甚至无法计算,而rs取值较小的话就会导致计算结果偏离实际,因而有必要分析地埋管传热过程对数值模拟边界的要求。根据文献对量纲一边界热扰动因子影响因素的分析可知,地埋管传热过程模拟的无穷远边界取值主要依赖于岩土体的热物性特别是变化幅度较大的导热系数以及模拟时间。为保证数值计算结果的正确可靠,需要根据模拟时间来选取适当的计算边界值。在大多数情形下,夏季或冬季空调系统运行时间一般为2000～5000h,rs取1000ro～1500ro可以满足模拟要求。2地埋管换热器能效系数地埋管换热器作为热泵机组和岩土体之间的传热通道,其换热性能将不可避免地受到热泵机组的取热/排热负荷、岩土体状况等诸多因素的影响。地埋管换热器在夏季放热状态下,较高温度的冷凝器出水进入到地埋管换热器的下降管,与土壤换热后温度下降;地埋管换热器在冬季吸热状态下,较低温度的蒸发器出水进入到地埋管换热器的下降管,与土壤换热后温度上升。从理论上来说,地埋管出水温度可最大限度地接近土壤初温,此时的地埋管换热量最大,但实际由于岩土体的蓄热和热堆积效应并不可能实现。为量化地埋管与岩土体换热的充分程度,借鉴传统换热器效能的概念,定义U形地埋管换热器能效系数E为地埋管换热器实际换热量Q与最大理论换热量Q′的比值,其计算式为E=QQ′=Gc(tin−tout)Gc(tin−t0)=tin−touttin−t0(1)式中G为埋管内流体流量,kg/s;c为埋管内流体比热容,J/(kg·℃);tin为地埋管换热器进水温度,℃;tout为地埋管换热器出水温度,℃;t0为岩土体初始温度,℃。地埋管换热器能效系数是一个量纲一的瞬时变化量,其取值范围为0～1。在给定的地埋管进口温度和岩土体初始温度条件下,能效系数与地埋管的出口温度密切相关,表征了U形地埋管与周围岩土体连续换热后管中流体出口温度能够达到的最低(夏季工况)或最高(冬季工况)的能力,以及流体进出口温差达到的最大值,也即是进入到热泵机组冷凝器(夏季工况)或蒸发器(冬季工况)中流体的温度状态,影响着机组的运行效率,与岩土体的热物性及地埋管换热器的设计参数相关。地埋管单位井深换热量可改写为Q=Gc(tin−tout)H=EGc(tin−t0)H(2)如果流量G保持不变,地埋管换热器能效系数在一定程度上反映了地埋管的换热效果。本文将有针对性地分析地埋管换热器能效系数的影响因素及其变化规律,以利于增强地埋管地源热泵系统的换热性能。2.1岩石物理条件对传热特性的影响2.1.1对地埋管换热器能效系数的影响岩土体表层温度分布虽受地面空气温度及太阳辐射热的影响,但一定深度下的岩土体温度基本不变,其对地埋管换热器能效系数的影响如图2所示。从图2可以看出,在相同的地埋管进水温度和流量条件下,3种岩土体初始温度工况的地埋管能效系数在同一时刻的能效系数值相同,也就是说,能效系数并不取决于岩土体的初始温度,这为从埋管结构和岩土体热物性本身优化换热提供了技术依据。2.1.2地埋管换热器能效系数3种岩土体热物性参数见表2,对应的地埋管换热器能效系数随时间的变化情况如图3所示。从图3可以看出,岩土体类型对地埋管换热器能效系数影响较显著。地埋管换热开始阶段,3种类型岩土体的地埋管换热器能效系数无明显差别;随着流体与周围岩土体的继续换热,周围岩土体均不同程度地产生热堆积效应,能效系数与前期相比有一定程度的降低,三者之间的能效系数也表现出较明显差异;在运行到100h时,3种工况下地埋管换热器能效系数为0.132,0.111,0.086;而运行到1000h时,地埋管换热器能效系数相应地变为0.091,0.073,0.056。由此可见,当建筑物空调运行时间较长时,热堆积作用影响占主导地位,岩土体热物性较好的就能够有效削弱热堆积效应,降低地埋管出口温度,增强换热效果。2.2埋地管道结构对传热特性的影响2.2.1热扰动与能效系数地埋管支管间距2D分别为8ro,5ro,3ro时,对应的地埋管换热器能效系数随时间变化情况如图4所示。从图4可以看出,地埋管支管间距对能效系数的影响随时间段的不同而不同,表现出区段特性。在地埋管换热初期,支管间热干扰影响极弱,3种支管间距的能效系数几乎无差别;随着换热时间进一步加长,U形地埋管两支管间开始产生热扰动,支管间距越小,热扰动强度越大,能效系数差异也相应变大;当地埋管周围的岩土体存在大量的热量需向邻近的岩土体传递与扩散时,热堆积效应对地埋管换热器能效系数的影响占主导地位,三者之间的能效系数差距渐趋变小。可见,在地源热泵空调系统运行初期,加大地埋管支管间距能够不同程度削弱或抵消热堆积作用,换热时间进一步加长,效果不明显。2.2.2深度h的确定图5显示了在不同的地埋管埋设深度条件下地埋管换热器能效系数的变化情况,模拟运行工况是地埋管埋设深度H分别为80,60,40m。从图5可以看出,地埋管换热器埋设深度对地埋管换热器能效系数的影响较显著,加大埋设深度可不同程度削弱或抵消岩土体热堆积作用,使得地埋管出口温度更接近岩土体初始温度,地埋管换热器能够按需要的时间持续运行在一定温度范围内,以保障热泵主机的高效运转。2.3埋地热交换器的换热负荷对传热特性的影响地埋管换热负荷动态变化主要通过地埋管内瞬时的不同流量、不同进水温度状况来体现。2.3.1器能效系数及水温度图6显示了不同进水温度对地埋管换热器能效系数的影响,模拟运行工况是地埋管进水温度tin分别为40,37,34℃。从图6可以看出,地埋管换热器能效系数并不受地埋管进水温度的影响,同样可忽略进水温度而从地埋管结构和岩土体物性优化换热器设计。当然,不同的地埋管进水温度对地埋管进出口温差的影响是不同的,如在地埋管运行到100h时,进水温度为40,37,34℃分别对应的进出口水温差是2.46,2.23,1.89℃。根据式(1),(2),在地埋管内流量相同的情况下,进水温度越高,进出口温差越大,虽增大了地埋管换热量,但出口温度升高,并不利于热泵主机的高效运行。2.3.2管网水流速对能效系数的影响地埋管内水流速v分别为1.0,0.8,0.6m/s,对应的能效系数随时间的变化规律如图7所示。从图7可以看出,地埋管内水流速对地埋管换热器能效系数的影响较显著。流速越小,能效系数越大,流体进出口温差相应增大,这对热泵主机的运行效率是相对有利的,但不意味着地埋管的换热能力就越强,这是因为地埋管的换热能力由进出口温差和流量的乘积共同决定,当其中一方减小而另一方增大时就需要综合考虑两者之间变化的关系。2.4地埋管热泵系统要运行于生物处理条件对通过前面夏季工况的分析可以看到,地埋管与岩土体换热时间越长,地埋管出水温度就越高,不利于热泵机组高效运行。要最大程度地利用岩土体的蓄能和热扩散能力,应采用可提供恢复时间的间歇运行模式。特别是不同地域存在不同的地理环境和气候条件,一旦运用不当,地埋管地源热泵系统的优势就未必能得到很好的发挥,很有可能适得其反。因而设计地埋管换热器环路时,应根据不同地区负荷的变化特点,设计辅助散热或取热设备,即复合式地埋管地源热泵系统,使得既满足负荷的变化,又让地埋管存在一个恢复期,有利于地埋管地源热泵系统保持长期稳定运行。2.4.1周期循环对能效系数的影响图8显示了在不同日循环运行周期时间分配条件下地埋管换热器能效系数随时间变化的情况。模拟运行日循环周期1工况:地埋管地源热泵系统每天运行12h,停歇12h,时间比为1∶1;模拟运行日循环周期2工况:每天运行8h,停歇16h,时间比为1∶2。从图8可以看出,在周期循环条件下地埋管换热器能效系数随时间变化的整体趋势是逐渐变小的,这与连续性运行的变化趋势相同,但整体能效始终要高于后者。在停歇阶段,地埋管周围岩土体借助热扩散以恢复到自然热平衡态,以利于下一周期地埋管的换热,此时的能效系数反映周围岩土体的温度恢复程度,能效系数越大,表明地埋管周围岩土体恢复得越好,越有利于后续循环周期中地埋管出口温度更加接近于岩土体初始温度。图中日循环周期2工况的恢复程度明显要好于日循环周期1工况,主要是因为前者运行时间短而停歇时间长,表明日循环周期内运行与停歇时间比越小的间歇工况越有利于地埋管地源热泵系统的运行性能持续高效。2.4.2d运行,5d停图9显示了在周循环周期条件下地埋管换热器能效系数随时间的变化。模拟运行间歇工况是地埋管地源热泵系统每周前5d运行,后2d停歇,时间比为5∶2。从图9可以看出,在周循环条件下地埋管换热器能效系数随时间间歇变化,变化曲线一直处于连续工况条件变化曲线之上,整体趋势为逐渐变小,这与图8中日循环周期运行相同,但能效系数值与连续运行的差距变小。这说明短周期小负荷间歇运行有助于缓解热堆积产生的不利影响,降低地埋管流体出口温度。2.4.3连续工况下地埋管流体出口温度变化图10显示了在季节循环运行周期条件下地埋管换热器能效系数随时间的变化。模拟运行间歇工况是武汉地区每年6-9月共4个月为制冷模式,地埋管进水温度为37℃下连续运行,而每年1-2月共2个月为供热模式,地埋管进水温度为8℃下连续运行,其余时间为停歇期。从图10可以看出,地埋管换热器能效系数随着时间的推移而整体减小,但地埋管在间歇工况下的能效系数变化曲线一直处于连续工况变化曲线之上,岩土体温度有所恢复,地埋管流体出口温度有所降低。虽如此,但由于夏季负荷大于冬季负荷,在下一年夏季初岩土体温度不能恢复到上年夏季初的初始地温,也就是下一年度开始运行前周围岩土体温度也不能够恢复,周而复始,地埋管换热器周围岩土体温度总是要高于上一年同期的温度,不能恢复到初始状态,地温开始逐年偏移初始平衡状态。如果常年如此,达到一定程度时,岩土体温度呈现过热,地埋管流体出口温度将会逐步升高,从工程意义上来说,此时地埋管换热能力已丧失。但对于供暖模式的工况而言,由于岩土体温度逐年升高,能效系数增大,地埋管流体出口温度升高,有利于热泵主机的运行。由此可见,对于需要冬季供暖和夏季制冷的地区,应综合考虑地埋管冬、夏季换热负荷的差别,在实际工程中基于能效系数根据季节运行的换热能力及岩土体的总体热平衡来设计地埋管换热器。3地埋管换热器针对三维数值模拟技术中用有限介质空间代替无限介质空间来模拟地埋管换热器传热过程,选取了合理的无穷远边界值。利用数值模型进行动态模拟,研究了无渗流条件下地埋管换热器能效特性的主要影响因素,包括岩土体初始温度、岩土体类型、支管间距、埋设深度、地埋管进水温度、流速以及地埋管运行模式,可以得出如下的一些主要结论。3.1岩土体以导热形式传递热量时,地埋管传热过程是典型的瞬态过程,地埋管换热器的设计应根据空调系统