“降额因子”评估土-气管道热交换器热性能的新概念：瞬态CFD分析

“降额因子”评估土-气管道热交换器热性能的新概念：瞬态CFD分析

摘要

设计一个新的术语“降额因子”用于实验和在fluent软件建立计算流体动力

学模型来评估在以干热为主的Ajmer（印度）气候的瞬态工况下土-气管道换热器

热性能的变化。使用稳态方法获得土■■气管道换热器管道长度100m,管道直径

0.2m和速度0.5m/s的最大温降是18.4℃,18.7℃和18.4℃,对应的土壤导热系数

分别是0.52w/m-k,2.0w/m-k和4.0w/m-ko但是，在运行的24小时后使用瞬态

方法获得的最大温降18.3℃,14.0℃,18.3℃和17.2℃和18.6℃之间变化，对应

的土壤导热系数分别是0.52w/m-k,2.0w/m-k和4.0w/m-k。发现降额因子是土壤

的导热系数，地球空气隧道热交换器和管道的长度的持续运行的因素。如果忽略

在设计时可能导致地球空气热交换器性能变差，分析的情况已经表明降额的范围

从最少0.2%至高达68%左右，土-气管道换热器连续运行24小时后观察降额因

子的最大值。

1.介绍

土-气管道热交换器（EATHE）作为一种被动的加热/冷却方法用于减少空间

加热/冷却的一次能源资源的消耗。土-气管道换热器采用土壤为热源/下沉空间加

热/冷却。

已经开展很多对地下换热器的研究工作。Khatry等⑴考虑到太阳辐射和大气

温度的周期性提出地面温度随深度周期性变化的分析。显式表达为温度作为时间

和深度的函数推导。Jacovides等⑵通过在雅典/希腊74年的土壤表面温度记录

（1917至1990年）的傅里叶分析在不同深度及贫瘠和短草覆盖的地区所研究的

土壤温度儿个统计特性。Bau⑶提出了从埋管换热损失分析解决方案。Puri⑷开

展单根管流过热流体埋在介质包覆管道直径的湿沙，初始土壤水分浓度和温度，

以及流体管接口温度使用有限元模型的参数研究。Svec等⑸研究稳态，瞬变和

土-气管道热交换器几种配置的循环。Agas等⑹进行评价的各种被动和混合冷却

技术，例如土-空气换热器，直接和间接蒸发冷却器以及夜间通风技术的性能

灵敏度分析。Santamouris等⑺认为埋入管道长度和土壤高度管以上的增加导致

增加了系统的潜在冷却能力的。Bojic等⑻评估土-气管道热交换器由埋在土壤耦

合至系统用于加热或冬季和夏季时分别使用100%的新鲜空气作为加热或冷却

介质的管道的技术和经济性能且夏季采用数学建模。Devlin等⑼描述三维非稳态

热流模型对研究地面类型，空气速度和管子特性（直径，长度，深度和间距）对

土壤和管道中的空气热交换效率的影响。Kabashnikov等［10］开发基于傅立叶积分

计算在土壤热交换器通风系统以数学模型形式表示的土壤和空气的温度形式的

温度。Cui等［11］提出三维瞬态热传导模型来描述多孔地下换热器传热引起的地

面温度响应。Badescu［12］发现地面热交换器传递的能量显著依赖不同的设计参

数，如管子的深度，直径和材.料。增加管子的外径得到热量和冷量的减少。Bansal

等口3-14］在夏季和冬季气候条件下使用CFD模拟和实验数据研究地球空气隧道

热交换器系统的热性能。Givoni［15］调查表明该系统在炎热气候下的潜在性可使

用各种土壤的冷却方法来降低天然地下土壤温度如遮光，地面灌溉，利用植物和

鹅卵石表面处理来改善。据报道由Bansal等口6］设计集成蒸发冷却系统的土-气管

道热交换器可以在炎热和干燥的气候下提供热舒适条件。Ozgener和

Ozgener［17-21］使用能量分析和实验数据评估地下空气管道系统的性能。他们通

过exergo-economics确定土-气热交换器的温室加温的最优设计。Bi等［22］提出地

源热泵（GSHP）加热和冷却模式的能量分析和地源热泵节能部件是压缩机和地

埋管换热器。同时还发现，一个地源热泵系统用于加热模式的有效能损失比制冷

模式的更大。Man等［23,24］实验发现地源热泵系统在加热和冷却模式中的性能依

赖于它的操作条件和操作模式。他们还研究了混合地源热泵系统，该系统被用于

空调。Michopoulos等［25］观察到地源热泵系统的大小和性能取决于建筑物（几

何形状，建筑材料，方向等，也包括使用方法和内部增益），地热物理特性，气

候的区域，并在地面上的热交换器设计和建设。杨等［26］观察到垂直埋管换热器

（GHE）是地耦合热泵（GCHP）的设计和仿真的重要组成部分。李［27,28］调在地

源热泵系统中采用变速部分负荷作为初始成本也可能会被保存除了在宽范围的

气候条件下的运行成本的优点。也有人指出，采用有效地导热系数和对多层地面

有效地容积热容量是用于评估系统的性能是至关重要的。太阳能辅助地面耦合热

泵（SAGCHIP）系统的数值模拟是由陈和杨［29］提出的，该系统用于供暖和生活

热水（DHW）oSagia等［30］在TRNSYS上使用数值模拟研究混合地源热泵系统。

Fayegh和Rosen［31］在使用FLUENT开发的有限体积数值模型研究多个垂直地下换

热器的热相互作用。李和赖［32］在地下耦合热泵系统中使用的热交换器分析了传

热的地面过程各向异性土各向异性的影。

在本文中，作者旨在研究土-气管道热交换器管道周围土壤导热系数和它的

工作长度对热性能的影响。如上所述，在以前的研究中，大部分的工作进行了土

-气管道热交换器的性能评价。一些研究人员定性讨论土-气热交换器热性能的变

化，但没有定量研究。同样的大部分工作是在寒冷的气候下进行的。本文的主要

目的是通过引入新术语“降额因子”来建立一个精确的土-气热交换器模型，以

评估由于极端酷暑天气条件下的连续运行，土-气热交换器的性能变化。在极端

夏季工况下，已经确定连续运行和土壤类型对降额因子的影响。土壤温度场在目

前工作也进行了详细研究。从降额因子来评估土-气管道热交换器的热性能，其

定义为通过土-气管道热交换器获得稳态（土-气热交换器周围认为是无限散热

片）和瞬态温降之差与稳态温降的比。降额因子是在瞬态工况下确定土-气管道

热交换器热性能的最大劣化。因此，研究了在瞬态工况土-气管道换热器热性能

的恶化和以适合设计人员使用的样式展现。实验观察验证了CFD模型的结果并且

用来评估土-气换热器三个土壤导热系数的降额因子。

2.CFD模型说明

计算流体动力学（CFD）工具因其进行深入的流体流动，传热，传质和其他

一些问题的分析能力被众所周知。他们提供了管理的离散形式的流体流动和传热

偏微分方程的数值解。CFD采用解决小细胞或网格整个系统和应用上这些离散元

件控制方程找到关于压力分布，温度梯度和流参数在较短的时间以较低的费用的

数值解法的简单原理。为了研究在地球系统中的复杂的气流和传热过程，在本研

究中使用CFD软件FLUENT6.3。在目前的分析，已经使用了非网格结构进行CFD

模拟。CFD软件已被用来解决土-气管道换热器的水平埋管周围的瞬态温度场。

分布选定元素类型和网格线密度，因为温度围绕管壁变化更加急剧，因此网格被

设计为在该区域更致密，而管壁远处更加稀疏。在本研究中，已经假设空气是不

可压缩的，土壤是均匀且其物理性质是恒定的。也有人认为管和土壤的热物理性

质是各向同性和均匀的，不随CFD模型中使用的温度和工程材料改变。还已经假

定,土壤的导热系数保持不变。在目前CFD模拟使用的元素总号是364989地球

风洞换热器管和1075849的周围的土壤。

分析中使用流体流动和传热的基本方程。几何建模和网格划分使用

GAMBIT2,3版本编写，图1所示。在CFD研究的主要目的是调查在连续冷却模式

下使用简单的土-气管道热交换器系统的瞬时行为，并比较它与降额系数方面稳

态条件下土-气管道热交换器运行的散热性能(假定围绕管土壤的温度保持恒

定)。

在模拟中使用的材料的热物理参数列于表1中。土壤S1(用于Ajmer)的热

性能。通过从3.7米的深度采取的土壤样品的物理试验来确定导热系数，比热容

和密度。

表，在模拟中使用的热物理参数

材料密度/kg-m-3比热容akgZk-i导热系数

空气1.22510060.0242

土壤(S1)205018400.52

土壤(S2)205018402.0

土壤(S3)205018404.0

聚氯乙烯13809001.16

该试验按照实验室的标准程序进行。实际确定土壤S1上述土壤属性的值用

于CFD模型的验证。此后验证模式用于参数变化。对于土壤S2和S3,从现有的

文献选定土壤热传导率的值，如Cucumo等［33］和Beier等人［34］用于研究使土壤

S2和S3的比热容和密度作为S1的比热容和密度在地球上的土-气管道热交换器

热性能的土壤热导率影响。地空气隧道热交换器系统的CFD模型进行了验证，使

用的实验设置具有0.1m管直径和60m管的长度，如图2所示。

图.2室内综合土-气管道热交换器系统原理

该验证CFD模型已扩展至分析管道直径0.2米和长度100米的上风道热交换系

统。Ajmiet等人［35］假定忽略在从管道外表面到管子半径r的距离之后的管道周

围土壤的热效应，其中“r”是管半径的距离。为了在更安全一侧，在CFD模型

中土-气管道热交换器周围管道采用4倍管道外径的土壤圆筒。在CFD模拟中空

气管道接口被视为上边界。已经准备研究管道周围的土壤在不同土层的瞬态温度

场。通过用三种土壤，即SI、S2、S3,导热系数分别为0.52、2.0、4.0,研究了

土壤热导率在土-气管道热交换器系统热性能的影响。

3.实验装置

室内综合土-气管道热交换器的示意图如图2所示。实验测试装置包括内径

0.10m,长度60m、埋在平整的干燥土壤土地3.7米深处的水平PVC管。管道入

口端通过一垂直管道连接到0.75kw,单相，变速机动鼓风机（最大流速0.0945m3/

s和最大速度2800rpm）。

鼓风机强制周围的空气通过土-气管道系统，空气流速与自动变压器的作用

下发生变化（单相，0-270V,最大电流2A,最小计数IV）。七个热电阻（PT-100）

温度传感器即,T。一丁6被安装在不同深度分别为0m、0.62m、1.24m、1.86m、2.48m、

3.10m,3.7m处测量入口垂直管道上的地面土壤温度。一个额外的温度传感器插

入距土-气管道热交换器系统10m和地下3.7m处以测量原始土壤温度。九个热

电阻（PT-100）温度传感器即，T7—T15插入土-气管道热交换器管道中心以测量

沿距离顶端水平长度分别为0.2m、1.7m、4.7m>9.3m、15.1m,24.2m、34.0m、

44.4m、和60.0m、的空气温度。一组四个热电阻（柏-100）温度传感器在轴向

距土-气管道热交换器入口6.4m、27.4m、和48.8m处以用来测量管道-土壤接触

面的温度和分别距离管道0.2m、0.4m和0.6m的土壤温度。正确校准，使用数

字温度显示装置（准确度±0.1C和识别度0.1℃）。干球温度和环境空气的相对

湿度是利用安装气象站上RTD（ffi-100）温度传感器和电容传感器每小时记录一

次。温度和测试室内空气的相对湿度也被校准温湿度计精确地测量（使用福禄

4-971温湿度计，温度精度为±0.1℃,相对的温度分辨率0.1℃和相对湿度分辨

率0.1%）。叶片探针型风速计测定空气流速（使用路创，MOD-EL-AM-4201,范

围0.4至30.0m/s和至少0.1m/s）。用精准数字电表测量离心式鼓风机消耗的电

能（使用Power高科技测量系统，类型PTS-01,至少O.lkwh和精度土O.lkwh）。

研究室尺寸为4.3mX3.8mX3.05m,包含两个窗户（每个1.52mX1.22m,位于东部

和北部分别面对墙壁）和一个门（1.82mX0.91m,位于西面墙）。

4.数据测试和错误分析

测试数据列于表2中。基于在通过使用各种仪器的实验测量误差的分析，在

温度和流速的测量的不确定性估计为±0.38%和±2%[36]。

表2土-气管道热交换器在连续运行不同时长后，沿管道长度的空气温度（测试数据）

PipelengthHourlyairtemperaturevariationalongpipelength

6h12h24h36h48h

0.2317.8316.3309.03163309.0

1.7317.2315.9308.8315.9308.8

4.7315.1314.3308.1314.6308.3

9.3312.5312.3307.2312.9307.5

15.1309.4309.9306.1310.7306.5

24.2306.1307.0304.6308.1305.2

34.0303.7304.7303.4305.8304.1

44.43023303.1302.6304.1303.1

60.0301.1301.7301.7302.4302.1

5.实验验证和性能分析

建立土-气管道热交换器系统的CFD模型（如图1所示）并通过采取上Ajmer

（印度西部）的实验设置观察验证2011年6月的夏天天气状况。在沿长度各部

分在管道中的空气温度的模拟和实验结果的比较总结为空气速度5m/s,如图3o

实验装置测得的CFD模拟空气的入口条件保持不变。进行仿真模型的验证直径分

别为0.05m、0.1m、0.15m和0.2m的具有较小的管道长度实验组。地球风洞换

热器管道直径0.2m组成只有20米的长度实验装置。收集20m长的隧道的实验

数据与仿真值一致。由0.1米管道直径、较大的长度（60m）组成的土风道热交

换系统的实验设置，因此，这个管道验证结果呈现在稿件中。

从图3观察，在实验和模拟值之间存在小的差别，因此CFD模型是有效的

并且用于进一步的分析。

320

203040

Lengthofpipe(ni)

-------SimulatedtemperatureafterIhour一,-ExperimentaltemperatureafterIhour

---Simulatedtemperatureafter4hour-------Experimentaltemperatureafter4hour

.......Simulatedtcmperalureafter7hour-------Experimentallempcralurcafter7hour

图3.CFD的验证结果与实验结果

6.降额系数与土-气管道热交换器的瞬态性能系统

使用稳态方法验证的CFD模型已被用于确定沿地球空气隧道热交换器管的

空气温度。在稳定状态的方法，假定围绕土-气管道热交换器的土壤不论运行时

间（实验观察到3.7米的深度不受干扰地下温度）都保持在300.24K的恒温。土

壤滚筒的外边界被认为是在原始土温度即300.24K的恒温。采用稳态方法CFD

模拟土壤S1,S2和S3的EATHE系统。在土壤S1,S2和S3的稳定状态下，沿EATHE

管道长度的空气温度表示于表3中。

EATHE的热性能假设为评价管道周围土壤在恒定温度下由于空气和土壤间

的热传递，从EATHE管得到的温降。在EATHE稳定运行下，总的温降被认为是

土壤的独立热导率示于表3中。假设EATHE管道周围土壤在恒温下不实用导热性

差的土壤如流经管道的空气不断地散发热量到周围的土壤，从而增加其温度。

EATHE在稳态条件下运行作为参考的情况与瞬态条件下运行相比其热性能，但是

大多数研究者，即Ajmi等［35］和Bansal等口3,14］,评价EATHE假设土壤的热性

能要在一•定的温度。

Table3

VariationinairtemperaturealongtheEATHEpipelengthforthreedifferentsoilsundersteadystateconditions.

Pipelength(m)AirtemperaturealongtheEATHEpipelengthforthreedifferentsoils(K)

SIS2S3

Inlet319.1319.1319.1

5317.8317.6317.6

10314.6314.0313.9

15312.0311.1310.9

20309.8308.8308.6

25308.0307.0306.8

30306.6305.6305.4

40304.6303.5303.5

50303.1302.1302.2

60302.2301.4301.6

70301.4301.0301.0

80301.1300.9300.7

90300.9300.8300.5

100300.7300.7300.4

图4示出了在使用瞬态方法连续运行12小时后三种土壤SI,S2和S3位于

50米管入口部分的空气和土壤的温度轮廓。

在稳态下，土壤SI、S2和S3分别获得总的空气温降是18.4℃、18.4℃和

18.7℃o使用瞬态方法连续运行1、6、12和24h后，土壤S1位于50米管道入

口部分获得空气温降分别是14.7℃、11.5℃、10.1℃和8.9℃o相似的，使用

瞬态方法连续运行1、6、12和24h后，土壤S2和S3位于50米管道入口部分获

得空气温降分别是15.9℃、14.4℃、13.7℃、13.1℃和16.3℃>15.3℃、

15.0℃>14,8℃,示于表4。如图4和5及表4所示，在EATHE长时间连续运行

下观察其热性能显著变化。还观察到由于土壤具有较高的热导率(4W%K'),EATHE

系统的热性能变差。但是，对于土壤S1在24h连续运行后，在瞬态下总温降在

18.3℃-14.0℃

316.6

316.0

315.5

315.0

314.5

3140

3135

3130

3125

3120

3115

3111

3106

3101

.6

,1

308.6

.1

.6

,1

.6

306.1

305.6

305.2

304.7

3042

303.7

303.2

3027L

3022

301.7

3012

3007

300.2

3187

3161

3156

3151

3146

3141

3136

3131

3126

3121

3116

3111

3106

7

2

7

2

7

3002

图4.12小时后三种土壤Sl(a),S2(b)和S3©位于50米管入口部分的空气和土壤的温度轮廓

3200-

318.0-

♦after-24-hcur

316.0-•after-12-hcur

•after-6-hour

•after-3-hour

314.0-

after-1-hour

312.0-

310.0-

3080一

306.0-

304.0-

302.0―

300.0I，,.j，，・।।.........................................................................................................................

0.010.020.030040050.060.070.080.0900100.0

Pipelength(m)

Fig.5.Hourlyvariationofairtemperaturealongpipelengthduring24hoperationforsoil(a)SIand(b)S3.

之间变化，示于表4o相同的对于S2和S3分别是18.3-17.2℃和18.6-18.0℃,

同样示于表4。稳态条件和瞬态条件下获得的温度下降被用来确定所述降级因

数，其被定义为：

,(Ti-To)i,transient

Drlj=1-----------------------(1)

(Tl-TO)1,steady

其中DR.降额系数在长度从地球管道入口'L',经过时间t。Ti为在EATHE管道

入口的空气温度和To是位于距离管口“L”米部分的空气温度。

(Ti-To)transient：在瞬时状态的时间"T”后的入口和长度空气温度的差异。

(Ti-To)sleady:处于稳定状态的时间“T”后入口和长度“L”空气温度的差异。

Table4

Hourtyvariationofdropinairtemperatureatdifferentpipelength(orthreetypeofsoils.

Pipelength(m)Dropinairtemperatureatdifferentpipelengthforthreetypeofsoilsduring24hofoperation(K)

After!hAlter6hAfter12hAfter24h

SIS2S3SIS2S3SIS2S3SIS2S3

0-1033424.5113.44.01.93.13.81.62.93.7

0-207.59.09.552758.54.47.0823.86.58.1

0-3010.612212.77.710.511.66.69.81125.79.311.1

0-4012.914.414.89.712.713.88.512.013.47311.4132

0-5014.715.916311.514.415310.113.715.08.913.114.8

0-6015.916.917.112.815516311.414.816.010.114315.8

0-7016.817.617.814.116.417.112.715.816.811.315316.7

0-8017.518.118215.117.117.613.716.617.412.316.1173

0-9018.018.318.515.917.618.014.617217.813.316.817.8

0-10018318.318.616.517.918215317.618.114.017218.0

图6示出计算出在土壤S1,S2和S3中的瞬态条件下不同长度的EATHE管道

运行不同小时的降额因子（式（1）的基础上），同样也示于图6。降额系数的

物理意义在于提供了稳态和瞬态条件下运行的热性能之间进行广泛对比。一般稳

定状态下的运行性能提供了类似瞬态条件下第一小时的性能表现。因此，这也显

示了EATHE系统的热性能恶化由于长时间连续使用。在评估降额系数，在夏季观

测到的最大环境空气温度（46.1℃）已被作为在仿真模型的进风温度，因此，图

6给出了关于下Ajmer（印度）的炎热和干燥的气候瞬时模式运行的热性能最大

降额因子。

After1hourAfter3hourAfter6hour

------After12hour-------After24hour

ba3)

After1hourAfter3hourAfter6hour

1After12hourAfter24hour

号

After1hourAfter3hourAfter6hour

Aftftr12hourAfter24hour

Fig.6.Hourlyvariationinderatingfactoralongthelengthofpipeduring24hof

operationforsoil(a)SI,(b)S2,and(c)S3.

从图6观察不管管的长度，作为连续运行的时间增加降额因子也增加。观察

到连续运行24小时后土壤S1、到和S3的最高降额因子分别为0.68,0.47和

0.32和在从入口5米的管长度。降额因子较大的值反映了在瞬态模式下地球的

热性能更加恶化。如图6所示，土壤的热导率使衰减曲线的斜率减小。土壤S1

降额因子曲线比S2和S3的曲线更陡峭，如图6所示。因此可以得出结论：在

EATHE热性能的劣化在具有低导热性更突出，如SU

EATHE连续运转24h后观察降额因子最大值。EATHE管道，其中降额系数接

近于零(即0〜0.05)的部分意味着瞬态模式在特定部分地球的热性能接近EATHE

的稳态条件下运行的热性能。

7.结论

本文介绍了EATHE系统的分析土壤和空气中每小时的基础上，管内流动之间

的热传递过程中的瞬态CFD仿真模型。EATHE在稳态运行下获得100m管道长度

最大空气温降是18,4℃>18.7℃和18.4℃对应的土壤热导率分别是0.52Wm"K"、

2.0Wm-iK】和但是，最高空气温降在瞬态条件下运行24h后在18.3℃

14.0℃-,18.3℃-17.2℃ff18.6C-18.0C之间变化，对应的土壤热导率分别是

0.52Wm2.0WmV\4.OWmaK-^分析表明，在运行的一段时间后,较高

的土壤导热系数成果转化为瞬态条件下EATHE系统更好的热性能。EATHE的连续

运转1和24小时后降额系数分别是0.29和0.07和0.68和0.24,土壤热导率分

别为0.52WnfiK-i。土壤热导率为4.0Wm“K”的相同值是0.01-0.15和0.03-0.320

降额因子较大的值表明EATHE的热性能更加恶化。因此，可以得出的结论是在瞬

态条件下，由于长持续时间EATHE的连续运行，EATHE的热性能变差。土壤导热

性差使热性能恶化更大和迅速。连续运行24h后，在EATHE管道50m部分的降

额因子在0.08-0.44,0.07-0.23和0.04-0.12之间变化,土壤的热导率分别为0.52,2.0

11

和4.0WmK-o土壤S1的降额因子在EATHE管道距入口20m处的值24h运行后

在0.20-0.59变化。相同的值是0.01-0,24对于位于EATHE管道入口90米的一段。

这表明EATHE的热性能较大的劣化为早期观察管道长度。

可以得出结论，对于EATHE更好的热性能，EATHE管的附近的土壤应具有较

高的热导率和同时优化EATHE的热性能，考虑降额因子以便确定该EATHE将能

够得到运行的较长时间的热性能。降额因子还受空气流速，管道直径，环境条件,

运行类型（间断或连续），间歇期等影响。需要进行大量的工作来以对研究这些

参数对降额因子的影响。

参考文献

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