单U形和双U形地埋管换热器传热模拟.docx

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1、暖 通 空 调 年 第 卷 第 期专 题 研 讨单 形和双 形地埋管换热器传热模拟机械工业第六设计研究院 马健 郑 中 援摘 要以 单 形 和 双 形 地 埋 管 换 热 器 为 研 究 对 象 ，应 用 软件对其传热 性 能进 行 了 数 值 模 拟 。将 计 算 结 果 与实验 测试结果进行比较 ，验证了该模拟模型的准 确 性 。 结 果表 明 ，在 排 热 工 况 下 ，单 形 管 换 热 器 的 单 位 井 深 换 热 量 约 为 ，而 双 形 管 换 热 器 的 单 位 井 深 换 热 量 达 到 。在 打 井费用较高的场合 ，可以考虑使用双 形 管 。 研 究 了 进 口 水 温

2、、流 速 以 及 埋 管 深 度 等 因 素 对 形管传热量的影响 。关 键 词 地 源 热 泵 地 埋 管 换 热 器 形 管传 热 性 能 换 热 量 ， ， ， ， ， ， ，引 言目 前 国 内 的 地 源 热 泵 工 程 中 ，地 埋 管 换 热 器 的埋 管 形 式 主 要 分 为 三 种 ：单 形 、双 形 及 形 ，本 文 主 要 针 对 前 两 种 埋 管 形式的换热器在稳 定 运行 期 间 的 传 热 进 行 研 究 。 笔 者 采 用 软 件 作 为 建 立 数 学 模 型 和 数 值 计 算 的 工 具 ，利 用 它 不仅 可 以 建 立 与 单 形 管 及 双 形 管

3、 形 状 完 全 相 同 的 三 维 数 学 模 型 ，而 且 进 一 步 提 高 了 建 模 和 计 算 效率 。图 单 形管的管脚布置 由 于 形 管 很 长 ，管 内 流 动 充 分 发 展 ，沿 管长 方 向 流 态 变 化 很 小 ，所 以 在 弯 管 以 上 的 两 段 直管 段 以 及 管内的流体段 中 以 为 间 距 在 竖 直 方 向 上 布 置 网 格 。 而 在 形 管 转 弯 处 的 半 圆 管模 型 的 建 立建模工作在 软件中进行。本文所模拟 的 形管内径为，外径为，两支管脚的 中心距为。土壤的远边界半径为 。为避免划分的网格数过多，从而导致后期的计算处理速度过于缓

4、慢，将 形管的埋深设置为。单 形 管 及 双 形 管 的 管 脚 布 置 如 图与 图 马 健 ，男 ，年 月 生 ，硕 士 研 究 生 ，工 程 师 南京市玄武区四牌楼蓁巷 号 单 元 （）：收 稿 日 期 ：修 回 日 期 ：所 示 。（）马健 ，等 ：单 形 和 双 形地埋管换热器传热模拟 边 界条件设置如 下 ： 形 管 进 口 处 定 义 为，随 后 在 中 给 定 进 口 流 速 和 水 温 的 边 界 条 件 ；出口处为充分发展 流 动状 态 ，选 择 边 界 类 型 ；距 形 管 最 远 处 认 为 是 无 限 远 处 ，定义为定温壁面型边界条件 ；竖 直 方 向 上 的 顶

5、面 除 了 形 管 的 进 出 口 外 还 有 管 壁 和 土 壤 的 顶 面 ，它们的边界条件性质是一样的 ，要 与 外 界 空 气 进 行 对 流 换 热 ，故定义为对流换 热 型 墙 面 ；另 外 内 管 壁 ，即流体与固体的分隔面要定义 为 一 个 墙 面 ；其 他 内 界 面 定 义 为 ，作 为 内 部 边 界 。 在 中 还 要 对 固 体 区 域 和 流体 区 域 定 义 ，管 内 为 流 体 ，其 他 管 壁 与 土 壤 部 分 均为 固 体 。图 双 形管的管脚布置 段 流 体 转 向 会 产 生 很 多 旋 涡 ，流 场 变 化 剧 烈 ，因此 沿 流 向 作 等 分 ，

6、并 密 集 布 置 网 格 。 土 壤 的 网 格 在 靠 近 形 管 处 较 密 ，随 着 与 形 管 距 离 的 加 大 而 变 疏 ，如 图 所 示 。 土 壤 中 的 网 格 密 度 与 流 体 相 同 。 最 终 单 形 管 网 格 数 为 万 ，双 形 管 网 格 数 为 万 。 其 整 体 效 果 如 图 所示 。模 拟 结 果 与 分 析由 于 该 几 何 体 为 细 长 形 的 ，故使用双精度 求 解 器 求 解 。本 模 型 涉 及 流 体 与 固 体 的 传 热 计 算 ，故 采 用 耦 合 式 计 算 方 法 ，为加快计算速度 ，选 用 显 式 计 算 。 对 管 内

7、流 动 状 况 进 行 分 析 ，为 加 强 传 热 ，多 为湍 流 状 态 ，故 在 中 选 取 可 实 现 湍 流 模 型 。进口处给定进水水温 及流 速 。顶 面 由 于 和 空 气 存 在 着 对 流 换 热 ，故 定 义 为 对 流 换 热 边 界 条 件 ，换 热 系 数 经 计 算 获 得 。无 限 远 处 的 远 端 边 界 条 件 设 置 为 定 温 条 件 ，土壤 的 初 始 温 度 设 置 为 。 其 他 的 固 、液 态 几 何 体 内 分 别 定 义 为 各 自 对 应 的 材 料 。 一 般 根 据 形管 进 口 处 的 流 场 初始值对整个计算区域的流场进 行 初

8、 始 化 。本 文 主 要 研 究 地 埋 管 地 源 热 泵 稳 定 运 行 期 间单 形 管 与 双 形 管 换热器的传热性能 。在 这 种 工 况 下 ，虽 然 参 与换热的土壤体仍在不断增加 ，即地 埋 管 换 热 器 的 热 作 用 半 径 仍 在 不 断 增 大 ，但 经 过 地 源 热 泵 长 期 稳 定 的 运 行 之 后 ，热作用半径的 增 长速 率 已 越 来 越 趋 近 于 ，可 以 认 为 此 时 的 地 源 热 泵 已 经 处 于 稳 态 或 近 稳 态 的 工 作 状 态 中 ，因 而 采 用 稳态 模 型 进 行 数 值 分 析 。 在 软 件 中 设 置 监 视

9、 器 ，用 于 监 测地埋管换热器出口水温的变化 。模 拟 计 算 的 结 果 如 图 ，所 示 。随 着 地 埋 管 换 热 器 的 运 行 ，地埋管周围的 土 壤 温 度 会 越 来 越 高 ，这 导 致地埋管内的流体与周 边 土 壤 之 间 的 温 差 越 来 越 小 ，所以换热量将会不可 避 免 地 减 小 ，这也就 最 终 使 得地埋管的出口水温不 断 升高 。由 图 及 图 中温度曲线的末端可以清楚地 图 土壤截面的网格划分 图 网格划分的整体效果 暖 通 空 调 年 第 卷 第 期专 题 研 讨地 下 回 路 相 接 ，循 环 水 泵驱动流体在回路中循 环 流动 ，流体经过加 热

10、 器 加 热后流经地下回路与地 下 岩 土 进 行 换 热 。模 块 采 集 的 进 出 口 流 体 温 度 、流 体 流 量 、加 热 功 率 等 数 据 传 送 到 上 位 机 。现 场 布 置 两 口 深 的 竖 井 ，分 别 埋 设 单 形 、双 形 地 埋 管 换 热 器 ，夏 季 工 况 实 验 从 年 月 日 开 始 ， 连 续 运 行 后 ，机 组 运 行 达 到 稳 定 状 态 。 单 形 井 的 进 水 温 度 为 ，出 水 温 度 为 ， 进 出 口 温 差 为 ；双 形 井 的 进 水 温 度 为 ，出 水 温 度 为 ，进 出 口 温 差 为 。单 形 、双 形 地

11、埋 管 中 的 水 流 速 度 均 为 。按 照 上 述 测 试 数 据 ，换 算 出 单 形 管 换 热 器的单位井深换 热 量 约 为 ，模 拟 值 对 于 实 测 值 的 相 对 误 差 仅 有；双 形 管 换 热 器 的 单 位井深换热量约为 ，模 拟 值 对 于 实 测 值 的 相 对 误 差 仅 有 ，证 明 了 本 模 拟 模 型 的准 确 性 。图和 图分 别 为 单 形 管 和 双 形 管 地 下 深 平 面 的 土 壤 温 度 分 布 图 。 由 图 中 可 以 看 出 ，图 进 水 温 度 情 况 下 单 形管的出口水温 图 进 水 温 度 情 况 下 双 形管的出口水温

12、 看 出 ，在 运 算 了 将 近 步 时 ，出 口 水 温 的 升高 速 度 越 来 越 慢 。 且 此 阶 段的各项残差一直 很 稳 定 ，均 保 持 在 较 低 的 数 值 ，说 明 了 最 终 的 计 算 解 即为 真 实 解 。这里 近似地 认为出 口 水温值趋于稳定 。温 度 曲 线 中 段 的 波 谷 阶 段 由 于 其 计 算 残 差 较 大 ，处 于 极 不 稳 定 阶 段 ，故 不 认 为 这 一 阶 段 的 出 口 温 度 值 为 真 实 解 。因 而 读 取 曲 线 尾 处 的 温 度 值 ，得 到 进 水温 度 的 情 况 下 ，单 形 管 换 热 器 的 出 口 水

13、 温 为 （），双 形 管 换 热 器 的 出 口 水 温 为 （ ）。 尽 管 双 形 管 的 进 出 口 温 差 比 单 形 管 小 ，但 是 考 虑 到 双 形 管 的 流 量 为 单 形 管 的 两 倍 ，所 以 双 形 管 的 换 热 量 比 单 形 管 大 。通 过 计 算 获 知 ，单 形 管 换 热 器 的 单 位 井 深 换 热 量 约 为 ，而 双 形 管 换 热 器 的 单 位 井 深 换 热 量 达 到 ，较 单 形 管 高 约 。 为 了 验 证 本 传 热 模 型 的 正 确 性 ，将 计 算 结 果 与实 验 测 试 结 果 进 行 比 较 。 实 验 系 统 位

14、 于 东 南 大 学 动 力 实 验 室 外 ，测量 仪 器 主要部件为加热器 、循 环水 泵 、温 度 测 量 装 置 、流 量 测 量 装 置 、数 据 采 集 模图 单 形 管 地 下 深平面的土壤温度场 图 双 形 管 地 下 深平面的土壤温度场 与 地 埋 管 换 热 器 发 生 换 热 的 土 壤 体 集 中 在 距 离 地埋 管 的 半 径 范 围 内 ，参 与 双 形 管 换 热 的 主 要 土 壤 体 比 单 形 管 多 。因 而 双 形 管 附 近 的 土 壤 平 均 温 度 比 单 形 管 附 近 的 土 壤 温 度 高 ， 从 而 导 致 管 内 的 循 环 水 与 管

15、 外 土 壤 的 温 差 减 小 ，沿块 、上 位 机 等 ，测 试 装 置 中 的管路与地埋管换 热 器（）马健 ，等 ：单 形 和 双 形地埋管换热器传热模拟 程 的 传 热 量 也 随 之 减 小 ，从 而 进 出 口 水 之 间 的 温 差也 减 小 了 。由 以 上 模 拟结果可换算出 ，单 形 管 换 热 器 的 单 位 管 长 换 热 量 为 ，双 形 管 换 热 器 的 单 位 管 长 换 热 量 为 。 对 比 分 析 可 得 ：在 负 荷 相 同 的 条 件 下 ，采 用 双 形 管 设 计 ，埋 管 的 长 度 会 明 显 增 加 。 但 是 在 相 同 的 洞 孔 数

16、量 下 ，双 形管 的 埋 管 深 度 将 明 显 减 小 。因 此 ，对 于 地 质 坚 硬 钻孔 打 井 的 费 用 比 较 高 的 地 区和埋管区域受限 制 场所 ，可 以 考 虑 使 用 双 形 管 。图 不同流速对应下的单位井深换热量 地 埋 管 换 热 器 的 换 热 特 性 研 究深 换 热 量 随 着 流 速 增 加 而 增 大 。 这 是 由 于 增 加 流速 一 方 面 使 质 量 流 量 增 加 ，从而增大了单位时 间 内 与 换 热 器 管 壁 发 生 换 热 的 水 的 质 量 ，另 一 方 面 也 会增 加 管 内 的 对 流 换 热 强 度 。 但 流 速 的 增

17、 加 不 会 带来 换 热 量 的 无 限 增 大 ，而是逐渐趋于平稳 。同 时 流 速 的 增 加 会 带 来流动阻力的加大 ，增 加 泵 的 功 耗 。因 此 ，流 速 的 选 择 要 同 时 考 虑 换 热 量 和 功 耗 的 影 响 。进 口 水 温 的 影 响 分 析通 过 模 拟 ，将 相 同 流 速 （ ）下 形 管 的 出 口 水 温 随 进 口 水 温 的变化情况制 成 表 。 可以 看 出 ，进 出 口 水 温 差 随 着 进 口 水 温 的 升 高 而 增加 。表 单 形 管 流 速 时 不 同进口水温下的出口水温 进 口 水 温出 口 水 温进 出 口 水 温 差埋 管

18、 深 度 的 影 响 分 析受 时 间 及 计 算 条 件 所 限 ，本 文 只 比 较 了 以 及 单 形地埋管换热器的 换 热 情 况 ，进 口 水 温 同 为 ，管 中 循 环 水 的 流 速 同 为 。 比 较 结 果 如 表 所 示 。表 不 同 深 度 下 单 形管的换热比较 单 位 井 深 换 热 量 随 着 进口水温的升高而 迅 速增 加 。 这 很 容 易 理 解 ，夏季升高进口 水 温 ，增 大 了 形 管 内 流 体 与 埋 管 周 围 土 壤 的 传 热 温 差 ，有 利 于 增 强 土 壤 与 形 管 的 传 热 。而 形 管 进 口 温 度的 确 定 需 要 根 据

19、 具 体 的 工 程 应 用 来 综 合 决 定 。埋 管 深 度出 口 水 温进 出 水 温 差单位井深换热 量（）管 内 流 速 的 影 响 分 析本 文 选 取 ， 和 进 行 计 算 ， 形 管 的 进 口 水 温 设 为 。 各 流 速 下 的 模 拟 结 果 如 表 所 示 。表 单 形 管 进 水 时不同流速下的出口水温 由 表 可 以 清 楚 地 看 出 ，随 着 埋 管 深 度 的 增加 ，出 口 水 温 降 低 ，因而进出水的 温 差增大 。 但 是 随 着 埋 管 深 度 的 增 加 ，单位井深热换量明显下降 ， 这 是 因 为 埋 管 深 度 越 大 ，循 环 水 在

20、形 管 内 的 流 动 时 间 越 长 ，温 度 下 降 越 大 ，从 而 导 致 水 与 土 壤 的 温 差 减 小 ，沿 程 的传热量也随之减小 ，因 此 单 位 井 深 平 均 换 热 量 减 小 。另 一 方 面 ，埋 管 深 度的增加会使得进出口 循 环 水 的 温 差 增 大 ，同 时 进 水支管与出水支管内流 体 平 均 温 差 进 一 步 加 大 ，由于两支管相距较近 ，导 致 两 管 间 发 生 直 接 及 间 接 换 热 所 产 生 的 热 （冷）量 损 失 ， 即 产 生 所 谓 的 埋 地 形 管 换 热 器 的 “热 短 路 ”现 象 。热 短 路 现 象 会 使 地

21、 埋 管 换 热 器 的 换 热 量 减 小 ， 降 低 系 统 的 换 热 效 率 。 因此建议在用于打井的地 进 口 流 速（）出 口 水 温进 出 水 温 差不 同 流 速 下 的 单 形 管 换 热 量 如 图 所 示 。由 表 及 图 可 知 ，随 着 流 速 的 增 加 ，进 出 口 流 体 温 差 不 断 减 小 。 这 是 由于流体与管壁的 换 热时 间 减 少 ，循 环 水 还 没 有 来 得 及 与 管 壁 充 分 换 热 便离 开 了 形 管 ，但 是 这 并 不 意 味 着 换 热 量 减 小 。由 图 可 以 看 出 ，单 形 地 埋 管 换 热 器 的 单 位 井暖

22、 通 空 调 年 第 卷 第 期专 题 研 讨表 面 积 充 裕 的 前 提 下 ，地 埋 管 换 热 器 不 要 埋 得 太深 。而 在 工 程 实 际 应 用 中 ，应 结 合 打 井 地 表 面 积 与 地 埋 管 深 度 两 个 因 素 进 行 考 虑 ，确 定 最 经 济 、高 效 的 埋 管 形 式 。随 着 水 流 速 度 的 增 加 ，进 出 口 水 温 差 减 小 ，但单 位 井 深 换 热 量 却 在 增 大 ；同时流速的增加会 带 来流 动 阻 力 的 加 大 ，增 加 泵 的 功 耗 。流 速 的 选 择 要 同 时 考 虑 换 热 量 和 功 耗 的 影 响 。结 论

23、随 着 埋 管 深 度 的 增 大 ，进 出 水 的 温 差 变 大 ，但 排 热 工 况 下 ，埋 深 时 ，单 形 管 换 热 器的 单 位 井 深 换 热 量 约 为 ，而 双 形 管 换 热 器 的 单 位 井 深 换 热 量 达 到 ，较 单 形 管 高 约 。是 单 位 井 深 的 平 均 换 热 量 却 在 减 小 。参 考 文 献 ： ，（）：对 于 地 质 坚 硬 钻 孔 打 井 的 费 用 比 较 高 的 地马 健 基 于 软件的地源热泵地下垂 直 式 埋管换热器的传热研究 南 京 ：东 南 大 学 ，刁 乃 仁 ，方 肇 洪 地埋管地源热泵技术 北 京 ：高 等 教 育

24、出 版 社 ，胡 达 剑 地 源 热 泵 地埋管换热器的传热特性研究及 工程设计软件开发 南 京 ：东 南 大 学 ，区 和 埋 管 区 域 受 限 制 场 所 ，可 以 考 虑 使 用 双 形管 。 升 高 形 管 的 进 口 水 温 ，可 以 显 著 增 大 地 埋 管 换 热 器的进出口温差以 及 单 位 井 深 的 换 热量 。檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭 简 讯 暖通空调传媒机构首次权威发布活动举行 月 日 ，借 第 届 中 国 制 冷 展 之 机 ，暖 通 空 调 传 媒机构权威发布 会 举 行 。 发布会回顾了过

25、 去 的 年 度 中 国大陆中央空调行 业 发 展 的 关 键 点 ，并从客观公正的角度 评 选 了 年 度 中 国 大陆中央空调行业的年度企 业 及 年 度 人 物 。 发 布 会 上 ，暖 通 空 调 资 讯 执行总编潘晓福解读 了 年 度 行 业 两 大 关 键 词 ：变 频 、整 合 。 变 频 技 术 在 中 国市场上的产品化 和 市场化的进程越来越快 ，这 一 趋 势 促 使大多冷水机组企业也加入到变频的阵营中来 。 整 合 一 直 以来是中国中央 空调行业的主线索 ，过 去 的 年 ，整 合在业内进一步深化 。 暖通空调传媒机构总编王曙明和中国 制冷学会副秘书长荆华乾分别为 年

26、度 企 业 格 力 、 开 利 ， 年 度 人 物 葛 亚 飞 、罗 小 民 ，颁发了奖杯和证 书 。 格力和开利在过去一年中付出的努力与他们对市场的 前瞻性赢得了广泛的认可 。 葛亚飞和罗小民带领各自的企 业找到了正确的发展节奏 ，尤其在战略层面上 ，他 们 为 企 业 规划了长远可持续的发展蓝图 。（董 丽 萍 ）第届中国制冷展主题论坛在北京举行 年 月 日 中 国 制 冷 展主题论坛在北京举行 。中 国制冷展专家委 员会主任吴德绳总工主持了主题论坛 。 国家发展改革委员会能源研究所周大地研究员作了 “十 二 五 ”背景下国家的能 源 规划和节能政策 的 报 告 ；清 华 大 学 江 亿

27、院 士 作 了 吸 收 式热泵在集中供热中的应用 的 报 告 ， 指出北方集中供热 系 统节能的关键技术问题 ，即 提 高 热 源 效 率 、寻 找 足 够 的 热 源 、把各类不同温度的热源优化 组 合 、 解决热量的长距离 输 送 问 题 ，吸收式热泵能够在解决上述 问题中起到关键作用 。 中国制冷展专家委员会名誉主任吴 元炜研究员作了 转 型 升 级 ，谋 大 发 展 的 报 告 ，分 析 了 我 们行 业 的 特 点 ，提出了对未来发展的思考 ，首先要变挑战为机 遇 ，突 出 高 效 、低 能 耗 、环 保 ，促进战略性新型 产 业 发 展 ，如 现 代 设 施 农 业 、工业余热回收再利用 、关 注 民 生 等 。 行 业 团 体 （学 会 、协 会 ）协力发挥更大作用 ，提升行业在社会和国家 层面的影响力和知名度 ，要 有 发 展 目 标 、规 划 及 路 线 图 。 本 届制冷展还首次设置了 “余 热 回 收 技 术 ”分 论 坛 ，在 制 冷 展 上探讨供热问题 ，这在中国制冷展历史上还是第一次 ，说 明 学 科 的 交 叉和融合越来越明显 。 吴德绳总工作 了 总 结 讲 话 。（本刊特约通讯员 吴 延 鹏 ）