单U型与双U型竖直土壤换热器换热性能的对比_张志鹏

流体在换热器内的停留时间越长，与周围土壤 和钻井内回填土的换热越时间也越长，换热越充分， 而停留时间与钻井的深度和换热器内流体流速有 关，所以钻井深度和流体流速对换热效果的影响很 大。图 6 和图 7 分别为不同钻井深度，进口温度为 305K 下单 U 型和双 U 型换热器运行至 100h 时单 位井深换热量随流量的变化。单 U 型和双 U 型换 热器单位井深换热量均随流量的增大而增大，但增 幅减小。在相同流量下，单位井深换热量均随钻井 深度的增大而减小，但换热器的总换热量随钻井深 度的增大而增大。对比图 6 和图 7 可知，当流量较 小时，双 U 型换热器热短路现象较严重，其单位井 深的换热量小于单 U 型换热器； 当流量较大时，双 U 型换热器单位井深换热量大于单 U 型换热器。若 使双 U 型换热器单位井深换热量大于单 U 型换热 器，必定存在一个最小流量。
2 模拟结果的验证
相对于解析解，数值解可更精确地计算换热器 短期运行 和 停 止 运 行 时 的 换 热 情 况［8］。 为 验 证 数 值结果的准 确 性，本 文 将 文 献［9］中 热 响 应 测 试 的 实验结果与相同条件下数值模拟的结果进行对比， 模拟 时 换 热 器 换 热 量 恒 为 5． 5 kW，进 口 流 速 为 0． 62m / s，土壤初始温度为 291K，模拟时间为 70h， 其他参数见文献［9］。
图 7 不同钻井深度下单位井深换热量随流量的 变化（ 双 U 型换热器）
Fig． 7 Heat flux per depth of borehole changed with flow in different borehole depth （ double U-tube heat exchanger）
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太阳能学报
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速只有单 U 型换热器的一半，流体在换热器内的停 留时间比单 U 型换热器长。由图 4 可知，当流量较 小时，双 U 型换热器上升管中温度先减小后增大， 支管间发生热短路现象，而单 U 型换热器上升管中 温度一直减小。由图 5 可知，当流量较大时，单 U 型和双 U 型换热器内流体的流速增大，热短路现象 减弱或者消失，双 U 型换热器的换热性能高于单 U 型换热器。可看出，流量较小时，双 U 型换热器的 热短路现象较单 U 型换热器严重是双 U 型换热器 换热性能低于单 U 型换热器的原因。 3． 3 不同钻井深度下换热量随流量的变化
本文分别建立了单 U 型和双 U 型土壤换热器 实际尺寸的三维模型，在土壤、回填材料和管材热物 性、土壤初 始 温 度、换 热 器 支 管 间 距 均 相 同 的 情 况 下，以夏季工况为例，通过 FLUENT 软件分别对不同 流量、进口温度和钻井深度下单 U 型和双 U 型土壤
收稿日期： 2010-05-10 通讯作者： 宋新南（ 1957—） ，男，教授，主要从事节能、环保、燃烧等技术研究。eksen@ ujs． edu． cn
竖直土壤换热器主要有套管、单 U 型和双 U 型 3 种形式。套管式换热器的套管直径较大、换热面 积大，一般认为其换热性能比单 U 型和双 U 型换热 器高，但套管式换热器钻井直径较大、下管难度大、 套管顶部与内管连接不易处理且上升管和下降管之 间流体的 热 损 失 严 重，一 般 仅 用 于 钻 井 深 度 小 于 30m 的情况［1］。单 U 型和双 U 型换热器的施工简 单、承压高、管路接头少、不易泄漏、热短路较套管式 换热器小，应用较为广泛。
深度不同时，流量的取值范围也不同。
关键词： 地源热泵； 单 U 型土壤换热器； 双 U 型土壤换热器； 换热性能
中图分类号： TK523
文献标识码： A
0引言
与传统空气源热泵相比，地源热泵的效率更高， 对环境的影响更小，目前在国内外已得到很好地推 广与应用。地源热泵包括地表水源热泵、地下水源 热泵和土壤耦合地源热泵 3 种形式，其中土壤耦合 地源热泵的适用范围最广。土壤换热器是土壤耦合 地源热泵的一个重要组成部分，它通过循环液体在 封闭的土壤换热器中流动来实现系统与大地之间的 换热。土壤换热器主要有水平埋管和竖直钻井两种 设置形式，水平埋管形式占地面积大、开挖量大、受 室外温度影响大，而竖直钻井形式可克服以上缺点， 因而应用更为广泛。
相对于单 U 型换热器，双 U 型换热器增大了传 热面积，减小了钻井内的传热热阻，普遍认为双 U 型换热器的换热性能较大，但管材费用也相应增大。 不同形式的换热器在换热性能和经济性方面的优劣 是一个关键，相关研究主要有理论分析［2］和实验研 究［3 ～ 6］。在对比两种换热器的换热性能时，以往文 献中分 别 用 单 位 管 长 流 量 相 同 时 单 位 井 深 换 热 量［3，6］、换 热 器 流 量 相 同 时 单 位 井 深 换 热 量［4］ 和 单 位管长流 量 相 同 时 单 位 管 长 换 热 量［5］ 作 为 衡 量 指 标。分析可知，影响经济性的主要因素是钻井成本 和循环泵能耗，管材所占比例很小，所以用单位井深 换热量来衡量换热性能更为合适。此外，换热器进 出口温差也影响地源热泵系统运行的效率，采用单 位管长流量下单位井深换热量来对比换热性能时不 能同时对比换热器的进出口温差，而对比相同流量 下单位井深换热量能同时对比两种换热器的换热性 能和进出口温差。
普遍认为双 U 型换热器的换热性能优于单 U 型换热器，但当流量为 382L / h 时，双 U 型土壤换热 器单位井深换热量始终小于单 U 型土壤换热器，而 流量为 1528L / h 时则完全相反。可见，不同流量下 单 U 型与双 U 型换热器换热效果有所不同，双 U 型 土壤换热器的换热性能不一定比单 U 型好。当流 量较小时，单 U 型换热器单位井深换热量大于双 U 型换热器； 当流量较大时，单 U 型换热器单位井深 换热量小于双 U 型换热器。 3． 2 换热器内流体沿深度方向的温度分布
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确性，用此方法可有效地模拟换热器的非稳态换热 过程。
3 模拟结果的分析
3． 1 换热器单位井深换热量随时间的变化 进口温度 为 305K，钻 井 深 度 为 100m，流 量 为
382L / h 和 1528L / h 时单 U 型和双 U 型土壤换热器 单位井深换热量随时间的变化分别如图 2 和图 3 所 示。比较图 2 和图 3 可知，在不同流量下单 U 型和 双 U 型土壤换热器单位井深换热量随时间的变化 趋势相同，换热量随运行时间的增加而减小。在最 初的几小时 内，换 热 量 变 化 较 大，随 着 运 行 时 间 增 加，换热量变化趋势减小，换热器换热达到准稳态。
3． 4 不同进口温度下换热量随流量的变化 钻井深度为 100m，进口温度分别是 300、305、
310 和 315K 下运行至 100h 时单 U 型和双 U 型换热 器单位井深换热量随流量的变化如图 8 所示。当流 量较小时，单 U 型换热器单位井深换热量大于双 U 型换热器； 当流量较大时，单 U 型单位井深换热量 小于双 U 型换热器。流量越大，单位井深换热量越 大，双 U 型换热器在换热性能上的优势越明显。进 口温度越大，单位井深换热量越大，双 U 型换热器 在换热性能上的优势也越明显。
密度 / kg·m － 3 导热系数 / W·（ m·K） － 1 比热 / J·（ kg·K） － 1
管壁 回填材料 土壤［7］ 流体
950 2800 2800 998
0． 42 3． 49 3． 49 0． 60
2200
920 920 4182
换热器进口为恒定进口温度边界条件； 出口为 充分发展的流动，在此出口选择自由出流边界条件； 管与回填材料接触的壁面、回填材料与土壤接触的 壁面为耦合壁面； 土壤表面与底部为绝热边界条件； 土壤远端为恒温边界条件； k-ε 方程的边界采用壁 面函数法。系统开始运行时，认为土壤换热器、回填 材料和土壤处于平衡状态，初始温度为 288K。
表 1 单 U 型和双 U 型土壤换热器的结构尺寸 Table 1 Dimensions of single U-tube and double
U-tube heat exchanger （ 单位： mm）
参数 钻井直径 管外径 管壁厚 支管间距 远端半径
尺寸 120
32
3
70
5000
表 2 材料热物性参数 Table 2 Thermal properties of the materials
模拟结果与实验结果进出口温度随时间的变化 如图 1 所示，可看出模拟值与实验值的变化趋势相 同。由于现场热响应测试中地下传热很复杂，并非 纯导热且加热器的电压随电网有一定波动，会导致 模拟值和 实 验 值 之 间 有 一 定 偏 差，由 图 1 中 可 知 偏差 在1 K 内 ，可 充 分 说 明 此 数 值 模 拟 方 法 的 正
摘 要： 分别建立实际尺寸的单 U 型和双 U 型换热器模型，以夏季工况为例用 FLUENT 软件对其换热过程进行非
稳态数值模拟。在热物性、支管间距相同的条件下，以相同流量下单位井深换热量来衡量两种换热器的换热性能。
模拟结果表明： 单 U 型和双 U 型换热器单位井深换热量变化趋势相同———进口温度一定时，随运行时间的增加而
为了解释流量较小时双 U 型换热器换热性能 小于单 U 型的原因，分别对不同流量下单 U 型和双 U 型换热器内流体沿程温度分布进行研究，换热器 运行至 100h 时单 U 型换热器和双 U 型换热器其中 一组 U 型管中心流体温度沿深度方向的分布分别 如图 4 和图 5 所示。
相 同流量下双U型换热器每组U型管中的流
第 33 卷 第 7 期
2012 年 7 月
文章编号： 0254-0096（ 2012） 07-1193-06
太阳能学报
ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA
Vol． 33，No． 7
Jul． ，2012
单 U 型与双 U 型竖直土壤换热器换热性能的对比