摘要：地源熱泵雙U型地埋管換熱由于受鉆孔大小的限制，U型管進水管和回水管間距很小，導(dǎo)致管內(nèi)循環(huán)水與周圍土壤換熱的同時，兩管之間也會發(fā)生熱傳導(dǎo)。本文通過FLUENT建立雙U型地埋管換熱器數(shù)值模型，在不同進口流速、回填材料及土壤參數(shù)的條件下，對雙U型管換熱器四支管間的熱短路影響程度進行模擬分析。研究表明，所有因素對熱短路都有一定影響，但回填材料的影響程度較大。因此，為換熱器確定合理的運行工況及選擇回填材料才能保證換熱器有更高的換熱效率。
關(guān)鍵詞：地源熱泵；雙U型管換熱器；數(shù)值模擬；換熱器效率；熱短路
0 引言
地埋管地源熱泵系統(tǒng)是利用地埋換熱器與地下淺層常溫土壤換熱，制冷或供熱的綠色節(jié)能空調(diào)技術(shù)。目前，國內(nèi)應(yīng)用最多的地埋換熱器主要是豎直U型地埋管換熱器。U型地埋管換熱器在運行過程中，循環(huán)水從U型管一端進入，在地下與土壤進行換熱，然后從另一端流出。整個過程由于受鉆孔空間限制，雙U型管進、出口段間距很小，這就使各支管間不可避免地產(chǎn)生換熱，也就是支管間的熱短路。為研究各因素對雙U型地埋管換熱器支管間的熱短路影響，本文建立了雙U型地埋管換熱器的三維數(shù)學(xué)模型，對每種因素對熱短路的影響進行模擬分析，可供參考采取相關(guān)措施提高換熱器的換熱效果。
1 計算模型
1.1模型參數(shù)
實際工程中，鉆井之間的距離一般在4～6m，單個鉆井熱作用半徑約為3m。故本文用GAMBIT所建模型的土壤半徑為3m，忽略鉆井間的熱干擾。目前，工程常見的雙U型管換熱器鉆孔實際深度通常為40～200m、鉆孔直徑通常為100～200mm。以此為依據(jù)本文建立了鉆井深度為120m，鉆孔直徑為200mm的物理模型。模型示意圖如圖1所示。
1.2 求解條件設(shè)定
由于管內(nèi)循環(huán)水為不可壓縮流體，并且管內(nèi)水流速較低，因此模擬過程中選擇Pressure Based求解器、隱式求解。本文所模擬雙U型管換熱器為冬季工況下，換熱效果達(dá)到穩(wěn)態(tài)時換熱器的換熱效果，故選擇三維穩(wěn)態(tài)計算模式。雙U型管內(nèi)水流在所有模擬中均處于紊流狀態(tài)，所以本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型作為紊流模型。
本文模擬地源熱泵冬季取暖工況下，雙U型管換熱器的換熱情況，假定土壤初始溫度為290K。在不涉及各種材料物性參數(shù)變化的情況下，計算域缺省參數(shù)見表1：
2 模擬結(jié)果與分析
為研究雙U型管換熱器的熱短路現(xiàn)象，需要通過分析對雙U型管支管的換熱情況來對熱短路現(xiàn)象進行研究。此處定義 、 分別為雙U型管進、出口段的換熱效率，其值分別為雙U型管換熱器進、出口支管在實際情況下與周圍土壤的換熱量 、 與雙U型管支管間距無限大時（即支管間無熱短路現(xiàn)象）與周圍土壤的換熱量 、 之比，即：
2.1 進口流速對雙U型管換熱器熱短路現(xiàn)象的影響
為研究流速對雙U型管熱短路現(xiàn)象的影響，這里保持其它條件不變的條件下，只改變進口流速對雙U型管換熱器多的換熱效果進行了模擬。圖3即為模擬結(jié)果分析：
圖3 進口流速對雙U型管換熱器熱短路現(xiàn)象的影響
從圖3中可以看出：由于雙U型管內(nèi)循環(huán)水流速的增加，循環(huán)水與管壁之間的對流換熱系數(shù)的提高，換熱器支管段的換熱量都有所增加。但由于受熱短路現(xiàn)象的影響，進口段和出口段的換熱效率隨流速的變化卻有所不同。進口流速對雙U型管換熱器的熱短路現(xiàn)象有明顯的影響，但隨著流速的增加影響程度也逐漸減弱，流速超過0.6m/s后支管的換熱效率就變化就不大了，但總換熱量還是有所增加。但流速的增加勢必會導(dǎo)致壓降的增大，因此，在保證滿足壓降的條件下，取較大流速能增加換熱器的總換熱量。
2.2 土壤導(dǎo)熱系數(shù)對雙U型管換熱器熱短路現(xiàn)象的影響
不同地區(qū)土壤類型及含水率是不同的，這就導(dǎo)致各地土壤的導(dǎo)熱系數(shù)也有所不同，而大部分土壤的導(dǎo)熱系數(shù)的取值范圍都在0.5～3.8W/（m?K）之間。為此本文分別對土壤導(dǎo)熱系數(shù)為1、1.5、2、2.5、3、3.5 W/（m?K）時雙U型管換熱器的換熱情況進行了模擬分析。結(jié)果如圖4所示：
從圖4中可以看出單從換熱量的增量來看，在不考慮熱短路時，雙U型管進、出口段隨土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增加而提高的換熱量都要比在實際情況下進、出口段的換熱量的增加量要略大。但通過分析支管的換熱效率可以發(fā)現(xiàn)，進、出口段的換熱效率 、 都有一定程度提高，且變化趨勢基本相同。這說明土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增大可以顯著提高雙U型管換熱器的換熱量；而由進、出口段的換熱效率隨土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增大都有所提高可以看出，土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增大對熱短路現(xiàn)象有一定程度的弱化。
2.3 回填材料導(dǎo)熱系數(shù)對雙U型管換熱器熱短路現(xiàn)象的影響
回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的取值范圍在0.65～2.34 W/（m?K）之間。為研究回填材料導(dǎo)熱系數(shù)對雙U型管換熱器熱短路現(xiàn)象的影響，這里分別取值0.5、1、1.5、2、2.5、3 W/（m?K）作為回填材料導(dǎo)熱系數(shù)進行了模擬計算。分析結(jié)果如圖6所示：
從如圖6所示：隨著導(dǎo)熱系的增加各支管段換熱量增長幅度逐漸變緩，在不考慮熱短路現(xiàn)象的情況時進、出口兩支管換熱量的增幅明顯高于實際情況下進、出口兩支管段換熱量的增幅。而進、出口段的換熱效率 、 隨回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加都有不同程度的減小，出口段換熱效率 下降程度尤其明顯。這表明回填材料導(dǎo)熱系數(shù)不僅對雙U型管換熱器的換熱量有有很大影響，對兩支管間的熱短路現(xiàn)象也有很大影響。回填材料導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱短路現(xiàn)象越明顯。
3 結(jié)論
�。�1）不同影響因素對U型管換熱器兩支管間的熱短路現(xiàn)象的影響程度也有所不同。進口流速越高，土壤導(dǎo)熱系數(shù)越大及回填材料導(dǎo)熱系數(shù)越小時雙U型管換熱器兩支管的換熱受熱短路現(xiàn)象的影響越小。
�。�2）較高的流速不僅可以在一定程度上減小熱短路現(xiàn)象的影響，而且可以提高雙U型管換熱器的換熱量。但流速越高將導(dǎo)致管內(nèi)循環(huán)水壓降增大，需要增大循環(huán)水泵的輸出功率，這就會增加地源熱泵的運行費用。因此，需要兼顧運行費用和雙U型管換熱器的運行效果來確定進口流速
（3）雖然回填材料導(dǎo)熱系數(shù)越低，雙U型管換熱器兩支管與土壤間的換熱受熱短路影響越小，但與此同時，換熱量也會越小。因此，選擇合適的回填材料導(dǎo)熱系數(shù)尤為重要，既要保證換熱器有較高的換熱量，又不能讓兩支管與土壤的換熱受熱短路現(xiàn)象太大影響。
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