地源热泵双U型地埋管换热器热短路影响因素分析

摘要：地源热泵双U型地埋管换热由于受钻孔大小的限制，U型管进水管和回水管间距很小，导致管内循环水与周围土壤换热的同时，两管之间也会发生热传导。本文通过FLUENT建立双U型地埋管换热器数值模型，在不同进口流速、回填材料及土壤参数的条件下，对双U型管换热器四支管间的热短路影响程度进行模拟分析。研究表明，所有因素对热短路都有一定影响，但回填材料的影响程度较大。因此，为换热器确定合理的运行工况及选择回填材料才能保证换热器有更高的换热效率。

关键词：地源热泵；双U型管换热器；数值模拟；换热器效率；热短路

0 引言

地埋管地源热泵系统是利用地埋换热器与地下浅层常温土壤换热，制冷或供热的绿色节能空调技术。目前，国内应用最多的地埋换热器主要是竖直U型地埋管换热器。U型地埋管换热器在运行过程中，循环水从U型管一端进入，在地下与土壤进行换热，然后从另一端流出。整个过程由于受钻孔空间限制，双U型管进、出口段间距很小，这就使各支管间不可避免地产生换热，也就是支管间的热短路。为研究各因素对双U型地埋管换热器支管间的热短路影响，本文建立了双U型地埋管换热器的三维数学模型，对每种因素对热短路的影响进行模拟分析，可供参考采取相关措施提高换热器的换热效果。

1 计算模型

1.1模型参数

实际工程中，钻井之间的距离一般在4～6m，单个钻井热作用半径约为3m。故本文用GAMBIT所建模型的土壤半径为3m，忽略钻井间的热干扰。目前，工程常见的双U型管换热器钻孔实际深度通常为40～200m、钻孔直径通常为100～200mm。以此为依据本文建立了钻井深度为120m，钻孔直径为200mm的物理模型。模型示意图如图1所示。

1.2 求解条件设定

由于管内循环水为不可压缩流体，并且管内水流速较低，因此模拟过程中选择Pressure Based求解器、隐式求解。本文所模拟双U型管换热器为冬季工况下，换热效果达到稳态时换热器的换热效果，故选择三维稳态计算模式。双U型管内水流在所有模拟中均处于紊流状态，所以本文采用标准的k-ε模型作为紊流模型。

本文模拟地源热泵冬季取暖工况下，双U型管换热器的换热情况，假定土壤初始温度为290K。在不涉及各种材料物性参数变化的情况下，计算域缺省参数见表1：

2 模拟结果与分析

为研究双U型管换热器的热短路现象，需要通过分析对双U型管支管的换热情况来对热短路现象进行研究。此处定义 、 分别为双U型管进、出口段的换热效率，其值分别为双U型管换热器进、出口支管在实际情况下与周围土壤的换热量 、 与双U型管支管间距无限大时（即支管间无热短路现象）与周围土壤的换热量 、 之比，即：

2.1 进口流速对双U型管换热器热短路现象的影响

为研究流速对双U型管热短路现象的影响，这里保持其它条件不变的条件下，只改变进口流速对双U型管换热器多的换热效果进行了模拟。图3即为模拟结果分析：

图3 进口流速对双U型管换热器热短路现象的影响

从图3中可以看出：由于双U型管内循环水流速的增加，循环水与管壁之间的对流换热系数的提高，换热器支管段的换热量都有所增加。但由于受热短路现象的影响，进口段和出口段的换热效率随流速的变化却有所不同。进口流速对双U型管换热器的热短路现象有明显的影响，但随着流速的增加影响程度也逐渐减弱，流速超过0.6m/s后支管的换热效率就变化就不大了，但总换热量还是有所增加。但流速的增加势必会导致压降的增大，因此，在保证满足压降的条件下，取较大流速能增加换热器的总换热量。

2.2 土壤导热系数对双U型管换热器热短路现象的影响

不同地区土壤类型及含水率是不同的，这就导致各地土壤的导热系数也有所不同，而大部分土壤的导热系数的取值范围都在0.5～3.8W/（m?K）之间。为此本文分别对土壤导热系数为1、1.5、2、2.5、3、3.5 W/（m?K）时双U型管换热器的换热情况进行了模拟分析。结果如图4所示：

从图4中可以看出单从换热量的增量来看，在不考虑热短路时，双U型管进、出口段随土壤导热系数的增加而提高的换热量都要比在实际情况下进、出口段的换热量的增加量要略大。但通过分析支管的换热效率可以发现，进、出口段的换热效率 、 都有一定程度提高，且变化趋势基本相同。这说明土壤导热系数的增大可以显著提高双U型管换热器的换热量；而由进、出口段的换热效率随土壤导热系数的增大都有所提高可以看出，土壤导热系数的增大对热短路现象有一定程度的弱化。

2.3 回填材料导热系数对双U型管换热器热短路现象的影响

回填材料导热系数的取值范围在0.65～2.34 W/（m?K）之间。为研究回填材料导热系数对双U型管换热器热短路现象的影响，这里分别取值0.5、1、1.5、2、2.5、3 W/（m?K）作为回填材料导热系数进行了模拟计算。分析结果如图6所示：

从如图6所示：随着导热系的增加各支管段换热量增长幅度逐渐变缓，在不考虑热短路现象的情况时进、出口两支管换热量的增幅明显高于实际情况下进、出口两支管段换热量的增幅。而进、出口段的换热效率 、 随回填材料导热系数的增加都有不同程度的减小，出口段换热效率 下降程度尤其明显。这表明回填材料导热系数不仅对双U型管换热器的换热量有有很大影响，对两支管间的热短路现象也有很大影响。回填材料导热系数越大，热短路现象越明显。

3 结论

（1）不同影响因素对U型管换热器两支管间的热短路现象的影响程度也有所不同。进口流速越高，土壤导热系数越大及回填材料导热系数越小时双U型管换热器两支管的换热受热短路现象的影响越小。

（2）较高的流速不仅可以在一定程度上减小热短路现象的影响，而且可以提高双U型管换热器的换热量。但流速越高将导致管内循环水压降增大，需要增大循环水泵的输出功率，这就会增加地源热泵的运行费用。因此，需要兼顾运行费用和双U型管换热器的运行效果来确定进口流速

（3）虽然回填材料导热系数越低，双U型管换热器两支管与土壤间的换热受热短路影响越小，但与此同时，换热量也会越小。因此，选择合适的回填材料导热系数尤为重要，既要保证换热器有较高的换热量，又不能让两支管与土壤的换热受热短路现象太大影响。

参考文献：

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