多钻孔竖直U型埋管换热器传热研究

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 传热模型及网格划分

    (1) 模型的建立基于如下假设:①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;②认为 埋管和回填土 接触良好，忽略接触热阻;③管壁厚度 与外界土壤相比忽略不计，即不考虑管壁热阻;④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 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。

               

    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。

                

                

    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

    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。

                

    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。

                

                

    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;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。且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。