D0I:10.13374/i.issnl00113.2007..018 第29卷第3期 北京科技大学学报 Vol.29 No.3 2007年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2007 地源热泵U型管地下换热器的CD数值模拟 宋小飞温治司俊龙 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要为了给地源热泵U型管地下换热器的优化设计提供理论依据，通过C℉D数值软件对地源热泵U型管地下换热器系 统中的流动和传热过程进行数值模拟，结果表明，地源热泵U型管地下换热器的换热效率随支管间距的增大而增加，随回填 土材料热导率的增加而增大，而且支管间距和回填土材料热导率对换热器效率的影响是很复杂的非线性关系·当钻孔深度超 过80m时，两支管的温升比急剧增加，支管间的热损失加剧，建议在实际操作中钻孔深度不要太深 关键词地源热泵：换热器：CFD数值模拟：传热模型 分类号TK124 随着传统不可再生能源的不断消耗，能源紧缺 虽然模型考虑了U型管的具体形状以及其他影响 问题日益严重，具有节能特点的地源热泵(ground 因素，但由于使用的都是二维模型，只研究某水平平 source heat pump)系统越来越受到人们的关注，地 面，不能全面反映整个换热区域的换热情况]. 源热泵系统是一种利用地下浅层地温地热资源（常 刁乃仁等通过解析的方法得出了二维和准三维的模 温土壤或地下水)的既可供热又可制冷的高效节能 型们.但其二维和三维模型主要是建立在回填土区 热泵系统，它主要包括三个部分：从土壤、地下水或 域，由于U型管地下换热器传热的不均匀性，回填 地表水吸热/放热的装置；热泵机组；送风系统. 土最外层的壁温显然不是均匀的，而且在非稳态过 根据地源热泵耦合换热系统的换热方式，可以 程中，回填土最外层壁温很难确定，为了研究整个 把地源热泵系统分为闭式循环系统和开式循环系 换热区域的情况，本文使用CFD数值仿真软件对地 统，本文研究的是闭式循环垂直式热泵系统，设置 下U型管换热器进行了模拟，进而研究了U型管换 地热换热器是闭环地源热泵（或称地下偶合热泵）空 热器主要参数对U型管换热器换热效率的影响， 调系统的最大特点，这种地热换热器中的传热是管 内流体与周围岩土之间的换热，与两种流体之间换 1数学模型 热的常规换热器有很大的不同，通常地热换热器有 1.1假设条件 水平和竖直两种布置方式，竖直布置的地热换热器 由于U型竖直埋管地下换热器的几何形状和 通常都是在钻孔内布置U型的塑料管，再加上回填 土壤传热的复杂性，为了减少网格数量和降低计算 材料，与周围岩土构成一个整体。由于竖直埋管地 的难度，所以要进行必要的简化·同时，为了保持所 热换热器具有占地少、工作性能稳定等优点，已成为 得结果的精度符合工程要求，作如下假设： 工程应用中的主导形式，对其传热模型的研究也就 (1)土壤是均匀的，而且在整个传热过程中土 成为开发地源热泵空调系统首要的课题，地源热泵 壤的热物性不变，由于地下换热器引起的土壤温度 空调系统的主要缺点是其地热换热器的初投资较 变化比较小，因此可以这样假设 高，这也是阻碍地源热泵空调系统发展的主要原因 (2)忽略土壤中水分迁移的影响 之一·因此对地热换热器的结构进行优化设计，并 (3)忽略U型管管壁与回填材料、回填材料与 提供可靠的设计计算模型是降低地热换热器造价的 土壤之间的接触热阻， 重要途径，也是推广地源热泵的关键技术之一山. (4)忽略地表温度波动以及埋管深度对土壤温 对地源热泵U型管地下换热器的研究，在工程 度的影响，认为土壤温度均匀一致，初始阶段为当地 上国内外主要使用线热源模型和柱热源模型2]， 的年平均气温 (5)认为U型管底部弯管是绝热的，而流体的 收稿日期：2005-12-24修回日期：2006-06-09 作者简介：宋小飞(1980一)男，博士研究生：温治(1962一)，男， 速度分布和方向改变， 教授，博士生导师 (6)钻孔间距足够大，忽略孔与孔之间的传热
地源热泵 U 型管地下换热器的 CFD 数值模拟 宋小飞 温 治 司俊龙 北京科技大学机械工程学院北京100083 摘 要 为了给地源热泵 U 型管地下换热器的优化设计提供理论依据通过 CFD 数值软件对地源热泵 U 型管地下换热器系 统中的流动和传热过程进行数值模拟．结果表明地源热泵 U 型管地下换热器的换热效率随支管间距的增大而增加随回填 土材料热导率的增加而增大而且支管间距和回填土材料热导率对换热器效率的影响是很复杂的非线性关系．当钻孔深度超 过80m 时两支管的温升比急剧增加支管间的热损失加剧建议在实际操作中钻孔深度不要太深． 关键词 地源热泵；换热器；CFD 数值模拟；传热模型 分类号 T K124 收稿日期：20051224 修回日期：20060609 作者简介：宋小飞（1980—）男博士研究生；温 治（1962—）男 教授博士生导师 随着传统不可再生能源的不断消耗能源紧缺 问题日益严重具有节能特点的地源热泵（ground source heat pump）系统越来越受到人们的关注．地 源热泵系统是一种利用地下浅层地温地热资源（常 温土壤或地下水）的既可供热又可制冷的高效节能 热泵系统．它主要包括三个部分：从土壤、地下水或 地表水吸热／放热的装置；热泵机组；送风系统． 根据地源热泵耦合换热系统的换热方式可以 把地源热泵系统分为闭式循环系统和开式循环系 统．本文研究的是闭式循环垂直式热泵系统．设置 地热换热器是闭环地源热泵（或称地下偶合热泵）空 调系统的最大特点．这种地热换热器中的传热是管 内流体与周围岩土之间的换热与两种流体之间换 热的常规换热器有很大的不同．通常地热换热器有 水平和竖直两种布置方式．竖直布置的地热换热器 通常都是在钻孔内布置 U 型的塑料管再加上回填 材料与周围岩土构成一个整体．由于竖直埋管地 热换热器具有占地少、工作性能稳定等优点已成为 工程应用中的主导形式．对其传热模型的研究也就 成为开发地源热泵空调系统首要的课题．地源热泵 空调系统的主要缺点是其地热换热器的初投资较 高这也是阻碍地源热泵空调系统发展的主要原因 之一．因此对地热换热器的结构进行优化设计并 提供可靠的设计计算模型是降低地热换热器造价的 重要途径也是推广地源热泵的关键技术之一［1］． 对地源热泵 U 型管地下换热器的研究在工程 上国内外主要使用线热源模型和柱热源模型［2—3］ 虽然模型考虑了 U 型管的具体形状以及其他影响 因素但由于使用的都是二维模型只研究某水平平 面不能全面反映整个换热区域的换热情况［4—5］． 刁乃仁等通过解析的方法得出了二维和准三维的模 型［6］．但其二维和三维模型主要是建立在回填土区 域由于 U 型管地下换热器传热的不均匀性回填 土最外层的壁温显然不是均匀的．而且在非稳态过 程中回填土最外层壁温很难确定．为了研究整个 换热区域的情况本文使用 CFD 数值仿真软件对地 下 U 型管换热器进行了模拟进而研究了 U 型管换 热器主要参数对 U 型管换热器换热效率的影响． 1 数学模型 1∙1 假设条件 由于 U 型竖直埋管地下换热器的几何形状和 土壤传热的复杂性为了减少网格数量和降低计算 的难度所以要进行必要的简化．同时为了保持所 得结果的精度符合工程要求作如下假设： （1） 土壤是均匀的而且在整个传热过程中土 壤的热物性不变．由于地下换热器引起的土壤温度 变化比较小因此可以这样假设． （2） 忽略土壤中水分迁移的影响． （3） 忽略 U 型管管壁与回填材料、回填材料与 土壤之间的接触热阻． （4） 忽略地表温度波动以及埋管深度对土壤温 度的影响认为土壤温度均匀一致初始阶段为当地 的年平均气温． （5） 认为 U 型管底部弯管是绝热的而流体的 速度分布和方向改变． （6） 钻孔间距足够大忽略孔与孔之间的传热 第29卷 第3期 2007年 3月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．3 Mar．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．03．018
,330 北京科技大学学报 第29卷 影响， 格来划分网格，网格的数量巨大，网格质量差.所以 1.2网格划分 在网格划分上，选择结构化网格来划分网格，这样不 本文所研究的地源热泵U型管地下换热器由 仅网格数量容易控制，而且网格质量较好. 内径为30mm左右，长度为30~120m的水管，以及 在对换热器系统划分网格时，水管和靠近水管 回填土、土壤层组成，土壤的外半径为3.5m,回填 的回填土层的网格划得很细，而土壤层采用变网格 土层半径在0.15m左右，可以看出，换热器模型中 技术，从回填土层开始网格逐渐变大·网格如图1 的U型管是一个细长结构，而且回填土加上土壤的 所示 体积比管子所占体积大的多，如果采用非结构化网 图1换热器系统局部网格图(a)和网格的横截面局部放大图(b) Fig-1 Portion of the grid of a heat exchanger system (a)and cross section of the grid at a larger scale (b) 1.3控制方程 由于U型管地下换热器中流体的流动一般都 [+周7+(au-e陶( 处于湍流阶段，因此在进行CFD模拟时，选用了 回填土和土壤中传热的控制方程： k一双方程模型来解得水管中水的流动和传热的控 T=7(λ7T) 制方程，并将能量方程与回填土和土壤中的传热过 Pac at (6) 程耦合起来 式中，P为流体的密度，kgm一3；t为时间，s:u为速 连续方程： 度矢量；f为有效黏性系数，Pas;p为流体的压 e+7(m)=0 力，Pa:b为源项；h为流体的焓，Jkg;q:化学反 at (1) 应热和其他体积热源的源项；k为湍流脉动动能； 动量方程： μ为流体的黏性系数，Pa·s;凸为湍流黏性系数， au+V(u×w)-7(m7w= Pas;e为湍流脉动动能耗散率；，，，c1,ce2为 ∂t 常数：。为回填土或土壤密度，kgm3;c为回填土 Vp+V(H7u)T+b (2) 或土壤的比热容，Jkg1K1；T为回填土或土壤 能量方程： 温度，K;入为回填土或土壤的热导率，W·m1· a(Ch)_p+(Puh)= at K-1. 1.4边界条件 (3) (1)进口边界条件，在研究主要参数对换热器 湍动能方程： 换热效率的影响时，水管进口温度使用恒定温度， a()+7(Pk)= 显然，对地下U型管换热器这种长时间工作的设 dt 备，研究非稳态时主要参数对其换热效率影响的意 义不大，而且很难得出准确的结论，本模型参考了 a Vk +Gk+Gp-Pe (4) 文献[7]提供的技术数据加以验证，其进口水温使用 湍动能耗散率方程： 如下边界条件： a)+7(ue)= T(t)=Tm(t)士P4 PrCpfvf (7)
影响． 1∙2 网格划分 本文所研究的地源热泵 U 型管地下换热器由 内径为30mm 左右长度为30～120m 的水管以及 回填土、土壤层组成土壤的外半径为3∙5m回填 土层半径在0∙15m 左右．可以看出换热器模型中 的 U 型管是一个细长结构而且回填土加上土壤的 体积比管子所占体积大的多如果采用非结构化网 格来划分网格网格的数量巨大网格质量差．所以 在网格划分上选择结构化网格来划分网格这样不 仅网格数量容易控制而且网格质量较好． 在对换热器系统划分网格时水管和靠近水管 的回填土层的网格划得很细而土壤层采用变网格 技术从回填土层开始网格逐渐变大．网格如图1 所示． 图1 换热器系统局部网格图（a）和网格的横截面局部放大图（b） Fig．1 Portion of the grid of a heat exchanger system （a） and cross section of the grid at a larger scale （b） 1∙3 控制方程 由于 U 型管地下换热器中流体的流动一般都 处于湍流阶段因此在进行 CFD 模拟时选用了 k—ε双方程模型来解得水管中水的流动和传热的控 制方程并将能量方程与回填土和土壤中的传热过 程耦合起来． 连续方程： ∂ρ ∂t ＋∇（ρu）＝0 （1） 动量方程： ∂ρu ∂t ＋∇（ρu× u）—∇（μeff∇ u）＝ ∇ p＋∇（μeff∇ u） T＋b （2） 能量方程： ∂（ρh） ∂t — ∂p ∂t ＋∇（ρuh）＝ ∇ μ＋ μt σT ∇h —qr （3） 湍动能方程： ∂（ρk） ∂t ＋∇（ρuk）＝ ∇ μ＋ μt σk ∇k ＋ Gk＋ Gb—ρε （4） 湍动能耗散率方程： ∂（ρε） ∂t ＋∇（ρuε）＝ ∇ μ＋ μt σε ∇ε ＋ ε k （ cε1Gk—cε2ρε） （5） 回填土和土壤中传热的控制方程： ρs c ∂T ∂t ＝∇（λ∇ T） （6） 式中ρ为流体的密度kg·m —3 ；t 为时间s；u 为速 度矢量；μeff 为有效黏性系数Pa·s；p 为流体的压 力Pa；b 为源项；h 为流体的焓J·kg —1 ；qr 化学反 应热和其他体积热源的源项；k 为湍流脉动动能； μ为流体的黏性系数Pa·s；μt 为湍流黏性系数 Pa·s；ε为湍流脉动动能耗散率；σTσkσεcε1cε2为 常数；ρs 为回填土或土壤密度kg·m —3 ；c 为回填土 或土壤的比热容J·kg —1·K —1 ；T 为回填土或土壤 温度K；λ为回填土或土壤的热导率W·m —1· K —1． 1∙4 边界条件 （1） 进口边界条件．在研究主要参数对换热器 换热效率的影响时水管进口温度使用恒定温度． 显然对地下 U 型管换热器这种长时间工作的设 备研究非稳态时主要参数对其换热效率影响的意 义不大而且很难得出准确的结论．本模型参考了 文献［7］提供的技术数据加以验证其进口水温使用 如下边界条件： Tf（ t）＝ Tout（ t）± P（ t） ρf cpf vf （7） ·330· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第3期 宋小飞等：地源热泵U型管地下换热器的D数值模拟 .331. 式中，供暖时取负号，制冷时取正号.T(t)为进水 2.1模型验证 温度，K;Tu(t)为U型管出口温度，K;P(t)为换 本模型主要使用文献[7]中的实验数据来验证 热器换热功率函数，A为进水口的水密度，kgm一3： 因此，模拟条件和文献[7]中的完全相同，见表1.根 c为进水口的水的比热容，Jkg1K-1;r为进水 据表1的参数通过CFD软件进行数值模拟，得到图 口水的流速，ms1.P(t)可以根据单位管长换热 2的计算结果 率来确定，取指数形式： 表1模拟计算的基本参数 Table 1 Parameters for simulation Po-(Po-Pe) 0≤t≤te P(t)= Nte’ (8) 参数名称 数值 Pe, 1le 钻孔直径/mm 300 式中，Po和P。分别为初始换热功率和换热器达到 U型管外径/mm 32 准稳态时的换热功率，W;t。为达到准稳态所需时 管壁厚/mm 3.5 间，s·水管进口的流速vimt=vo- 系统初始温度/K 286 (2)壁面条件，水管壁面为固定壁面，采用壁 系统初始换热功率，Po/kW 4.4 面函数，无滑移，无内热源，但该壁面和回填土与之 土壤（重土）热导率/(Wm1.℃- 1.33 相连的壁面组成耦合壁面，以便将水管中水的流动 U型管两支管中心距/mm 100 和回填土、土壤的传热耦合起来，最外层的土壤表 管(PE管)壁热导率/(Wm-1.℃-1) 0.42 面被定义成恒壁温条件，土壤与空气接触表面定义 钻孔深度/m 40 为第三类边界条件 管内流量/(m3h) 0.5 (3)初始条件.系统开始时，地下换热器与回 准稳态换热功率，PkW 1.6 填土、土壤处于平衡状态，即管内流体、管壁、回填土 回填土热导率/(Wm1.℃- 1.53 和土壤的温度均为初始温度T。·认为初始时刻水 管中的流速为0. 由图2可以看出，模拟结果与实验结果吻合，最 大相对误差仅为3.17%，平均相对误差1.67%.由 2计算结果及其分析 此可以证明，所建立的模型是正确可信的 13 0.04 (b) ◆一实验数据 0.03 。一计算数据 0.02 10 00 10 时间h 时间h 图2出口管壁温度的模拟计算结果和实验结果()以及出口管壁温度的模拟计算结果和实验结果的相对误差分布() Fig.2 Numerical and experimental results at outlet tube wall (a)and relative residuals of numerical and experimental results at outlet tube wall (b) 2.2支管间距对换热效率的影响 如图3所示，三条曲线分别是回填土材料的热 在回填土材料和地下换热器周围土壤的物性确 导率为1,1.63,2.4Wm1.℃-1时通过改变支管 定后，支管间距的选取是影响到地源热泵U型管地 间距计算得到的，从三条曲线可以看出，随着支管 下换热器的换热效率主要因素，下面将在主要参数 间距增大到一定程度，支管间距增大对换热效率的 如表2所示的制冷工况下，对回填土热导率分别为 影响在减小，所以在回填土热导率不大时，只要在 1,1.63和2.4Wm-1.℃-1三种情况下进行CFD 现有钻孔半径允许的情况下尽量加大支管间的距离 模拟计算，在其他参数不变的情况下通过改变支管 就可以了，但通过三条曲线的比较，当回填土的热 间距得出支管间距与出水口出水温度的关系，计算 导率大时，支管间距对换热器效率的影响也会变大， 结果见图3. 回填土热导率为1Wm一.℃一时，支管间距从
式中供暖时取负号制冷时取正号．Tf（ t）为进水 温度K；Tout（ t）为 U 型管出口温度K；P（ t）为换 热器换热功率函数ρf 为进水口的水密度kg·m —3 ； cpf为进水口的水的比热容J·kg —1·K —1 ；vf 为进水 口水的流速m·s —1．P（ t）可以根据单位管长换热 率来确定取指数形式： P（ t）＝ P0—（P0—Pe） 4 t te 0≤t≤te Pe t＞te （8） 式中P0 和 Pe 分别为初始换热功率和换热器达到 准稳态时的换热功率W；te 为达到准稳态所需时 间s．水管进口的流速 vint＝v0． （2） 壁面条件．水管壁面为固定壁面采用壁 面函数无滑移无内热源但该壁面和回填土与之 相连的壁面组成耦合壁面以便将水管中水的流动 和回填土、土壤的传热耦合起来．最外层的土壤表 面被定义成恒壁温条件土壤与空气接触表面定义 为第三类边界条件． （3） 初始条件．系统开始时地下换热器与回 填土、土壤处于平衡状态即管内流体、管壁、回填土 和土壤的温度均为初始温度 Tc．认为初始时刻水 管中的流速为0． 2 计算结果及其分析 2∙1 模型验证 本模型主要使用文献［7］中的实验数据来验证． 因此模拟条件和文献［7］中的完全相同见表1．根 据表1的参数通过 CFD 软件进行数值模拟得到图 2的计算结果． 表1 模拟计算的基本参数 Table1 Parameters for simulation 参数名称 数值 钻孔直径／mm 300 U 型管外径／mm 32 管壁厚／mm 3∙5 系统初始温度／K 286 系统初始换热功率P0／kW 4∙4 土壤（重土）热导率／（W·m —1·℃—1） 1∙33 U 型管两支管中心距／mm 100 管（PE 管）壁热导率／（W·m —1·℃—1） 0∙42 钻孔深度／m 40 管内流量／（m 3·h —1） 0∙5 准稳态换热功率Pe／kW 1∙6 回填土热导率／（W·m —1·℃—1） 1∙53 由图2可以看出模拟结果与实验结果吻合最 大相对误差仅为3∙17％平均相对误差1∙67％．由 此可以证明所建立的模型是正确可信的． 图2 出口管壁温度的模拟计算结果和实验结果（a）以及出口管壁温度的模拟计算结果和实验结果的相对误差分布（b） Fig．2 Numerical and experimental results at outlet tube wall （a） and relative residuals of numerical and experimental results at outlet tube wall （b） 2∙2 支管间距对换热效率的影响 在回填土材料和地下换热器周围土壤的物性确 定后支管间距的选取是影响到地源热泵 U 型管地 下换热器的换热效率主要因素．下面将在主要参数 如表2所示的制冷工况下对回填土热导率分别为 11∙63和2∙4W·m —1·℃—1三种情况下进行 CFD 模拟计算在其他参数不变的情况下通过改变支管 间距得出支管间距与出水口出水温度的关系．计算 结果见图3． 如图3所示三条曲线分别是回填土材料的热 导率为11∙632∙4W·m —1·℃—1时通过改变支管 间距计算得到的．从三条曲线可以看出随着支管 间距增大到一定程度支管间距增大对换热效率的 影响在减小．所以在回填土热导率不大时只要在 现有钻孔半径允许的情况下尽量加大支管间的距离 就可以了．但通过三条曲线的比较当回填土的热 导率大时支管间距对换热器效率的影响也会变大． 回 填土热导率为1W·m —1·℃—1时支管间距从 第3期 宋小飞等： 地源热泵 U 型管地下换热器的 CFD 数值模拟 ·331·
.332. 北京科技大学学报 第29卷 表2模拟计算的基本参数 150mm、钴孔深度改变以外，主要参数同表2.通过 Table 2 Parameters for simulation CFD模拟计算，结果见图5和图6.从图5和图6可 参数名称 数值 以看出，在钻孔深度增加时，出水口出水平均温度几 系统初始温度/℃ 13 乎是线性下降，但当钴孔深度超过80m后，两支管 土壤（重土）热导率/(Wm1.℃-) 1.43 的温升比急剧增加，从80m的2急剧增加100m的 钻孔直径/mm 300 3,支管间的漏热加剧，从而降低了单位管长的换热 U型管外径/mm 37 效率。因此，建议钻孔深度不要太深，对要求较低出 计算区域半径/m 3.5 水温度的工况可以使用两个U型管并联工作来减 管内流量/(m3h-) 0.4 少支管间的温升比，提高单位管长的换热效率， 进水管进口水温/心 35 305.0 管壁热导率/(Wm-1.℃-) 0.42 304.8 管壁厚/mm 3.5 盖06 则304.4 钻孔深度/m 40 五304.2 304.0 305.5 303.8 8 1.3 1.8 23 2.8 回填土热导率/(W·m,℃-) 305.0 图4出水温度随热导率的变化曲线 必 304.5 回填土热导率 Fig.4 Change of the outlet water temperature with heat conductivi- 五304.0 t女 30336 0.08 0.100.120.140.16 311 支管间距m 309 图3不同回填土热导率下支管间距对出水温度的影响 Fig.3 Influence of the distance between two tubes on the outlet 307 water temperature at different heat conductivities 305 0.08m增加到0.15m,出水温度改变了0.4℃；回 303530 50 70 90 110 填土热导率为1.63W·m1.℃-1时，其改变了 转孔深度m 0.6℃；回填土热导率为2.4Wm1.℃-1时，出水 图5出水温度随钻孔深度的变化曲线 温度改变了0.8℃，所以建议在使用高热导率回填 Fig.5 Change of the outlet water temperature with hole depth 材料时，要适当的加大钻孔的直径，从而加大支管间 距，减少支管间漏热而提高U型管地下换热器的换 3.5m 热效率。同时也可以看出，支管间的热阻由支管间 3.0 2.5 距、回填土热导率等多个因素共同决定，支管间距和 2.0 回填土的热导率对地下换热器换热效率的影响是一 115 个很复杂的非线性关系， 1.0 0.5 2.3回填土热导率对换热效率的影响 50 70 90 110 在研究回填土材料的热导率对地源热泵U型 转孔深度/m 管地下换热器换热效率影响时，支管间距选为 15cm,其余参数同表2.通过依次增大热导率来观 图6两支管的温升比随钻孔深度的变化曲线 察U型管出水口水温的变化，其计算结果见图4， Fig-6 Change of the specific value between inlet and outlet tem peratures with hole depth 从图4可以看出：当回填土热导率低于土壤热导率 时，增大回填土热导率，换热器换热效率增加的很 快；当回填土材料的热导率大于土壤热导率时，回填 3 结论 土热导率的增加导致的换热器效率的增加减缓了· (1)地源热泵U型管地下换热器的换热效率 2.4钻孔深度对换热效率的影响 随支管间距的增大而增加，但当支管间距增加到一 除进水管进水水温取40℃、支管间距取为 定值后支管间距的增加对U型管地下换热器换热
表2 模拟计算的基本参数 Table2 Parameters for simulation 参数名称 数值 系统初始温度／℃ 13 土壤（重土）热导率／（W·m —1·℃—1） 1∙43 钻孔直径／mm 300 U 型管外径／mm 37 计算区域半径／m 3∙5 管内流量／（m 3·h —1） 0∙4 进水管进口水温／℃ 35 管壁热导率／（W·m —1·℃—1） 0∙42 管壁厚／mm 3∙5 钻孔深度／m 40 图3 不同回填土热导率下支管间距对出水温度的影响 Fig．3 Influence of the distance between two tubes on the outlet water temperature at different heat conductivities 0∙08m 增加到0∙15m出水温度改变了0∙4℃；回 填土热导率为 1∙63W·m —1·℃—1时其改变了 0∙6℃；回填土热导率为2∙4W·m —1·℃—1时出水 温度改变了0∙8℃．所以建议在使用高热导率回填 材料时要适当的加大钻孔的直径从而加大支管间 距减少支管间漏热而提高 U 型管地下换热器的换 热效率．同时也可以看出支管间的热阻由支管间 距、回填土热导率等多个因素共同决定支管间距和 回填土的热导率对地下换热器换热效率的影响是一 个很复杂的非线性关系． 2∙3 回填土热导率对换热效率的影响 在研究回填土材料的热导率对地源热泵 U 型 管地下换热器换热效率影响时支管间距选为 15cm其余参数同表2．通过依次增大热导率来观 察 U 型管出水口水温的变化其计算结果见图4． 从图4可以看出：当回填土热导率低于土壤热导率 时增大回填土热导率换热器换热效率增加的很 快；当回填土材料的热导率大于土壤热导率时回填 土热导率的增加导致的换热器效率的增加减缓了． 2∙4 钻孔深度对换热效率的影响 除进水管进水水温取 40℃、支管间距取为 150mm、钻孔深度改变以外主要参数同表2．通过 CFD 模拟计算结果见图5和图6．从图5和图6可 以看出在钻孔深度增加时出水口出水平均温度几 乎是线性下降但当钻孔深度超过80m 后两支管 的温升比急剧增加从80m 的2急剧增加100m 的 3支管间的漏热加剧从而降低了单位管长的换热 效率．因此建议钻孔深度不要太深对要求较低出 水温度的工况可以使用两个 U 型管并联工作来减 少支管间的温升比提高单位管长的换热效率． 图4 出水温度随热导率的变化曲线 Fig．4 Change of the outlet water temperature with heat conductivity 图5 出水温度随钻孔深度的变化曲线 Fig．5 Change of the outlet water temperature with hole depth 图6 两支管的温升比随钻孔深度的变化曲线 Fig．6 Change of the specific value between inlet and outlet temperatures with hole depth 3 结论 （1） 地源热泵 U 型管地下换热器的换热效率 随支管间距的增大而增加但当支管间距增加到一 定值后支管间距的增加对 U 型管地下换热器换热 ·332· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第3期 宋小飞等：地源热泵U型管地下换热器的FD数值模拟 .333 效率的影响变弱，在使用的回填土材料热导率变大 参考文献 时，支管间距的变化对U型管地下换热器换热效率 [1]曾和义，刁乃仁，方肇洪，竖直埋管地热换热器钻孔内的传热分 影响变大，因此建议在使用高热导率材料的同时应 析-太阳能学报，2004,25(3)：399 该适当加大U型管两支管的间距， [2]Gu Yian,O'Neal Dennis L.An analytical solution to transient (2)地源热泵U型管地下换热器的换热效率 heat conduction in a composite region with a cylindrical heat source.Trans ASME,1995.117:242 随回填土材料热导率的增加而增大·为了提高U [3]柳晓雷，王德林，方肇洪·垂直埋管地源热泵的圆柱面传热模型 型管地下换热器效率，应该努力提高回填土层的热 及简化计算.山东建筑工程学院学报，2001,16(1)：47 导率. [4]Yavuzturk C.Spitler J D.A short time step response factor model (③)在钴孔深度增加时，出水口出水温度几乎 for vertical ground loop heat exchangers.ASHREAE Trans. 成线性下降；但是当钻孔深度超过80m时，两支管 1999,105(2):475 [5]Muraya N K.O'Neal D L.Heffington W M.Thermal interfer- 的温升比急剧增加，从80m的2急剧增加100m的 ence of adjacent legs in a vertical UTube heat exchanger for a 3,支管间的热损失加剧，从而降低了单位管长的换 ground-coupled heat pump.ASHREAE Trans,1996.102(2):12 热效率。因此，在实际操作中建议钻孔深度不要太 [5]刁乃仁，曾和义，方肇洪.竖直U型管地热换热器的准三维传 深，对要求较低出水温度的工况可以使用两个U型 热模型.热能动力工程，2003,18(4)：387 管并联工作来减小支管间的温升比，提高单位管长 [7]黄俊惠，时晓燕，唐志伟，地源热泵U型管地下换热器的准三 维模型.中国农业大学学报，2004,9(5)：51 的换热效率 CFD numerical simulation of a Utube ground heat exchanger used in ground source heat pumps SONG Xiaofei,WEN Zhi,SI Junlong Mechanical Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI To provide a theory for the optimized design of a Utube ground heat exchanger used in ground source heat pumps,CFD software was used to simulate the processes of flow and heat transfer in the Utube ground heat exchanger.The results show that the heat transfer efficiency of the U-tube ground heat exchanger increases with the increasing distance between two tubes and with the increasing heat conductivity of backfilling soil.The effect of the distance between two tubes and the heat conductivity of backfilling soil on the U-tube ground heat exchanger's efficiency are a very complex nonlinear relation.When the hole-depth is deeper than 80 m,the temperature rise ratio of two tubes increases rapidly and the heat losing between two tubes increases.In practical operation,the hole-depth is better not to be too deep. KEY WORDS ground source heat pump;ground heat exchanger:CFD numerical simulation;heat transfer model
效率的影响变弱．在使用的回填土材料热导率变大 时支管间距的变化对 U 型管地下换热器换热效率 影响变大因此建议在使用高热导率材料的同时应 该适当加大 U 型管两支管的间距． （2） 地源热泵 U 型管地下换热器的换热效率 随回填土材料热导率的增加而增大．为了提高 U 型管地下换热器效率应该努力提高回填土层的热 导率． （3） 在钻孔深度增加时出水口出水温度几乎 成线性下降；但是当钻孔深度超过80m 时两支管 的温升比急剧增加从80m 的2急剧增加100m 的 3支管间的热损失加剧从而降低了单位管长的换 热效率．因此在实际操作中建议钻孔深度不要太 深对要求较低出水温度的工况可以使用两个 U 型 管并联工作来减小支管间的温升比提高单位管长 的换热效率． 参 考 文 献 ［1］ 曾和义刁乃仁方肇洪．竖直埋管地热换热器钻孔内的传热分 析．太阳能学报200425（3）：399 ［2］ Gu YianO’Neal Dennis L．An analytical solution to transient heat conduction in a composite region with a cylindrical heat source．Trans ASME1995117：242 ［3］ 柳晓雷王德林方肇洪．垂直埋管地源热泵的圆柱面传热模型 及简化计算．山东建筑工程学院学报200116（1）：47 ［4］ Yavuzturk CSpitler J D．A short time step response factor model for vertical ground loop heat exchangers．ASHREAE Trans 1999105（2）：475 ［5］ Muraya N KO’Neal D LHeffington W M．Thermal interference of adjacent legs in a vertical U-tube heat exchanger for a ground-coupled heat pump．ASHREAE Trans1996102（2）：12 ［6］ 刁乃仁曾和义方肇洪．竖直 U 型管地热换热器的准三维传 热模型．热能动力工程200318（4）：387 ［7］ 黄俊惠时晓燕唐志伟地源热泵 U 型管地下换热器的准三 维模型．中国农业大学学报20049（5）：51 CFD numerical simulation of a U-tube ground heat exchanger used in ground source heat pumps SONG XiaofeiWEN ZhiSI Junlong Mechanical Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT To provide a theory for the optimized design of a U-tube ground heat exchanger used in ground source heat pumpsCFD software was used to simulate the processes of flow and heat transfer in the U-tube ground heat exchanger．The results show that the heat transfer efficiency of the U-tube ground heat exchanger increases with the increasing distance between two tubes and with the increasing heat conductivity of backfilling soil．The effect of the distance between two tubes and the heat conductivity of backfilling soil on the U-tube ground heat exchanger’s efficiency are a very complex nonlinear relation．When the hole-depth is deeper than80 mthe temperature rise ratio of two tubes increases rapidly and the heat losing between two tubes increases．In practical operationthe hole-depth is better not to be too deep． KEY WORDS ground source heat pump；ground heat exchanger；CFD numerical simulation；heat transfer model 第3期 宋小飞等： 地源热泵 U 型管地下换热器的 CFD 数值模拟 ·333·