南京师范大学能源与机械工程学院  戚新秋  黄文刚  徐冠依  曾繁博

    【摘  要】地源热泵利用土壤低位热能取代高位热能达到为建筑室内供冷、供热的目的，以其节能、环保、可持续等特点逐渐获得越来越多行业相关人员的青睐。本文以南京某工程为原型，建立了数值计算模型，并将地埋管出口水温度的数值计算结果与实际采集数据进行对比，夏季运行1天与24天的相对误差分别为2.2%和1.5%。进一步的利用该模型分析了土壤各个物性参数对地埋管换热性能及对地温场的影响，为地源热泵的选址提供一定的理论依据。

    【关键词】地埋管换热器；换热性能；地温场；数值模拟

    Abstract: Ground source heat pump achieve the purpose of building indoor cooling, heating by replacing the high level of heat energy , with its energy saving, environmental protection, sustainable and other characteristics gradually get more and more industry related personnel of all ages.In this paper, by using a project in Nanjing as the prototype, a numerical calculation model is established, and the buried pipe numerical slobber temperature comparing the calculated results with the actual data acquisition, the relative error of summer running 1 days and 24 days were 6.5% and 1.5%.Furthermore, this model is used to analyze the effect of soil physical properties on the heat transfer performance of ground heat exchanger and the ground temperature field, which can provide some theoretical basis for ground source heat pump.
    Key words：Ground heat exchanger；Heat transfer performance；Geothermal field；Numerical simulation

1 引言

    地源热泵包括表能换热器、热泵机组、室内环路三个子系统，如图1所示。地源热泵利用逆卡诺循环原理使低位能源向高位能源流动，过程中只需提供少量的功，是一种高效、环保、可再生的节能装置^[1] 。地源热泵同时兼备建筑制冷和供热功能，地源热泵利用土壤的蓄热能力，夏季将空调室内的热量贮存于土壤之中，冬季再由热泵循环将热量提取出来^[2] ，对于冬夏负荷不平衡的地区，此过程中应该添加其他辅助散热或者供暖设备，从而达到冬夏季对土壤取放热平衡，这样不仅起到了“夏热冬用”的效果，还避免土壤冷堆积或者热堆积等不良结果。因此，对其换热性能及低温场的研究直接关系到地源热泵产品的推广。

2 地埋管换热器传热模型

    2.1 物理模型

    如图2.1，本文采用GAMBIT软件按实际尺寸建立三维模型[3]，双U模型的外径为25mm，内径为20.4mm，壁厚为2.3mm，管长为320mm，埋管中心间为70mm，直径为150mm，半径为3m，深度为120m。本文中模型在网格划分的时候，对于流动情况比较复杂的区域需要将网格适当划分的比较细，而对于流动比较简单的区域，可以将在保证模拟结果准确性的前提下，适当将网格划分的较大，以减少整个模型的网格数量，从而减少计算机的计算量，节省模拟时间。

    2.2 数学模型

    本文利用Eskilson等模型^[4]对地埋管周围土壤传热进行求解可用下式表述，该模型求解过程比较复杂，为了简化求解过程，将钻孔温度响应转化为系列无因次温度响应因子的方法对该模型进行近似求解。

   

    初始条件：T(r,z,0)=Tom，t=0；地表边界条件：T(r,z,0)=To，z=0，钻孔处的边界条件：，r=rb, T(rb,z,t)=Tb(t)，0<z<H

    式中：as—土壤导温系数，㎡/s；Tom—不受干扰土壤平均温度，℃；To—地表年平均温度，℃；q(t)—单位钻孔长度平均热流密度，W/m；Tb(t)—钻孔壁平均温度，℃；rb—钻孔半径，m；H—钻孔深度，m。

    2.3 边界条件

    在完成模型的网格划分和边界条件定义后，需要从gambit中将模型网格文件输入到fluent计算软件中，接着在fluent中设置参数，对于本文地源热泵地埋管换热性能以及埋管周围地温场的模拟的参数设置主要有：（1）土壤层初始温度为18.7℃；（2）模型材料物性参数，如表2.3；（3）接触面换热系数取2.007 W/m·k；（4）湍流参数等。

3 地埋管换热器模型的验证

    南京某工程某地源热泵中央空调系统项目于2015年11月24日投入使用，该系统配备一套完整的自控系统，分别在地源侧、空调侧和用户侧各设置一个能量表，记录系统运行的累计冷热负荷，可以随时获取系统对土壤的取放热量和末端的累计冷热量。

    夏季工况选用该项目2016年7月5日到2016年7月28日制冷工况运行情况进行数值模拟，图3.1a、图3.1b为夏季运行的实测与模拟对比图。开始运行时出口温度模拟值与实测值相差1.86℃，相对误差6.5%；系统运行1天，模拟值与实测值只相差0.73℃，相对误差为2.2%；系统运行24天后，模拟值与实测值的温差已经降到了0.53℃，相对误差仅为1.5%。由此可以得出，随着系统的持续运行，埋管出口水温的模拟值与实测值越来越接近，误差逐渐缩小。因而利用此模型对地埋管换热过程进行模拟，结果具有可靠性。

4 土壤物性对埋管换热性能的影响

    4.1 土壤初始温度对埋管换热性能与地温场的影响

    4.1.1 土壤初始温度对埋管换热性能的影响

    图4.1a、图4.1b分别为夏季工况运行时，双U模型的土壤初始温度分别设定为285K、288K、291K和294K时的出口温度以及埋管换热量变化曲线。本文仅对夏季工况进行模拟，冬季工况同样可按照该模型进行模拟。夏季工况，土壤初始温度越低，埋管出口温度越低，进出口温差越大，埋管换热量也越大，土壤初始温度低于12℃，有较好的制冷效果。

    4.1.2 土壤初始温度对地温场的影响

    如图4.1c与图4.1d为夏季工况下285K与294K的地温图，地埋管热作用半径随着土壤初始温度的升高而降低。在本文模拟中，土壤初始温度由285K上升到294K，双U埋管热作用半径由2.1m下降为1.8m。

    4.2 土壤导热系数对埋管换热性能与地温场的影响

    4.2.1 土壤导热系数对埋管换热性能的影响

    如图4.2a、图4.2b为土壤导热系数是0.9W/m·K、1.8W/m·K和3.0W/m·K时的数值模拟结果。土壤导热系数由0.9W/(m·K)变到3.0W/(m·K)，埋管延米换热量由37.94W/m增加到95.90W/m，增加了1.5倍。土壤导热系数越大，埋管周围土壤温度越低，进出温差越大，埋管换热量随着土壤导热系数的增大而增大。

    4.2.2 土壤导热系数对地温场的影响

    如图4.2c、图4.2d土壤导热系数为0.9W/(m·K)时，土壤热作用半径为1.8m；土壤导热系数为1.8W/(m·K)时，热作用半径为2.1m；而当传热系数为3.0W/(m·K)时，热作用半径为2.4m。埋管热作用半径随着土壤导热系数增大而增大，土壤导热系数越大，埋管周围土壤所吸收的热量越容易扩散出去，能避免埋管周围热堆积的不利现象。

    4.3 土壤比热对埋管换热性能与地温场的影响

    4.3.1 土壤比热对埋管换热性能的影响

    如图4.3a、图4.3b将土壤比热分别设定为：800J/kg·K、1600J/kg·K和2500J/kg·K。随着土壤比热的增大，埋管出口水流温度逐渐降低，埋管换热量逐渐增加，土壤比热由800J/kg·K增加到2500J/kg·K，埋管延米换热量增加了13.9%。

    4.3.2 土壤比热对地温场的影响

    如图4.3c、图4.3d显示了土壤比热对地埋管周围土壤温度场的影响。相同条件下，地埋管热作用半径随着土壤比热的增加而减小。土壤比热越大，埋管周围土壤温度越低。

    4.4 不同土质对埋管换热性能与地温场的影响

    4.4.1 不同土质对埋管换热性能的影响

    如图4.4a、图4.4b为不同土质下，埋管出口温度、进出口温差以及延米换热量随时间的变化情况。土壤土质不同时，埋管换热量大小排布为：页岩>石灰岩>粘土>粗砂岩>砂岩。       

 

    4.4.2 不同土质对地温场的影响

    如图4.4c、4.4d、4.4e和4.4f为运行时间相同时，不同土质对埋管热作用的温度云图。根据模拟结果不同土质热作用半径大小排布为：砂岩≥粗砂岩>页岩>石灰岩≥粘土，土壤导热系数和土壤比热对埋管热作用半径影响比较明显。

 

5 结论

    本文以南京某工程为原型，建立了数值计算模型，并将地埋管出口水温度的数值计算结果与实际采集数据进行对比，得到夏季刚开始运行、运行1天与运行24天的相对误差分别为6.5%、2.2%与1.5%。进一步的利用该模型分析了土壤的初始温度、导热系数、比热及不同土质对地埋管换热性能及对地温场的影响结论如下：

    （1）夏季运行时，土壤初始温度越低，埋管出口温度越低，进出口温差越大，埋管换热量也越大，土壤初始温度低于12℃，有较好的制冷效果。地埋管热作用半径随着土壤初始温度的升高而降低。

    （2）土壤导热系数越大，埋管周围土壤温度越低，进出温差越大，埋管换热量随着土壤导热系数的增大而增大。埋管热作用半径随着土壤导热系数增大而增大，土壤导热系数越大，埋管周围土壤所吸收的热量越容易扩散出去，能避免埋管周围热堆积的不利现象。

    （3）随着土壤比热的增大，埋管出口水流温度逐渐降低，埋管换热量逐渐增加，土壤比热由800J/kg·K增加到2500J/kg·K，埋管延米换热量增加了13.9%。相同条件下，地埋管热作用半径随着土壤比热的增加而减小。土壤比热越大，埋管周围土壤温度越低。

    （4）土壤土质不同时，埋管换热量大小排布为：页岩>石灰岩>粘土>粗砂岩>砂岩。 不同土质热作用半径大小排布为：砂岩≥粗砂岩>页岩>石灰岩≥粘土。

参考文献

    [1] 卢娜.浅谈地源热泵技术[J].科技创新与应用,2012,(2):176-177.
    [2] 徐伟,刘志坚.中国地源热泵技术发展与展望[J].建筑科学,2013,(10):26-33.
    [3] 陈金华.竖直双U地埋管换热器分层换热模型研究[D].重庆大学,2015.
    [4] Ingersoll L RZ.O.J. Ingersoll A C.Heat Conduction with Engineering Geological and Other Applications. New York：McGraw-Hill Co，1954
    [5]  胡映宁,李常春,王小纯.套管式地埋管换热器换热性能实验研究[J].暖通空调,2011,41(9):100-105.
    [6] 王雷岗,郑中援等.地埋管地源热泵系统设计若干关键问题的研究[J].暖通空调,2011,41(2):41-44.
    [7] 陈焰华.地下水地源热泵系统技术特性分析与研究[J].暖通空调, 2009, 39(6):18-21.
    [8] Casasso A, Sethi R. G.POT: A quantitative method for the assessment and mapping of the shallow geothermal potential[J]. Energy, 2016, 106:765-773.
    [9] 孙婉,周念清, 黄坚,等.地源热泵夏季运行地温场变化特性试验研究[J].同济大学学报(自然科学版), 2016,44(7):1101-1106.
    [10] Simon F, Ordoñez J, Reddy T A, et al. Developing multiple regression models from the manufacturer's ground-source heat pump catalogue data[J]. Renewable Energy, 2016, 95:413–421.
    [11] 胡映宁, 李常春,王小纯. 套管式地埋管换热器换热性能实验研究[J].暖通空调, 2011, 41(9):100-105.
    [12] 王雷岗, 郑中援, 马健,等.地埋管地源热泵系统设计若干关键问题的研究[J].暖通空调, 2011, 41(2):41-44.
    [13] 张娟, 申琪. 地埋管地源热泵系统及存在问题分析[J]. 建筑工程技术与设计, 2015(18).
    [14] Qi Z, Gao Q, Liu Y, et al. Status and development of hybrid energy systems from hybrid ground source heat pump in China and other countries[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2014, 29(7):37-51.
    [15] 武曈, 刘钰莹, 董喆,等.地源热泵的研究与应用现状[J].制冷技术, 2014(4):71-75.

    备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。

              版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。