大慶地區(qū)土壤源熱泵垂直式U型埋管系統(tǒng)綜合性能分析

王西奇+張浩+張佳+王封順

摘 要：分析了大慶地區(qū)土壤情況及溫度變化規(guī)律，建立了U型垂直埋管模型。針對(duì)U型埋管進(jìn)出口流量、進(jìn)口溫度、垂直埋管深度及支管間距進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析。研究表明，其他變量一定情況下，隨著埋管進(jìn)口流量的增大，出口溫差減小，總換熱量增大。隨著進(jìn)口水溫增大，出口水溫會(huì)增加，而換熱總量降低。隨著埋管深度增加，總換熱量和出口水溫都會(huì)增大，而換熱效率降低。

關(guān)鍵詞：U型埋管；進(jìn)出口流量；進(jìn)口溫度；埋管深度

中圖分類號(hào)：TU832.02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）24-0035-02

1 概述

埋管換熱器是土壤源熱泵核心部分，依靠土壤常年的熱穩(wěn)定性進(jìn)行工質(zhì)換熱。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此方面進(jìn)行了大量研究，Demir等[1]通過實(shí)驗(yàn)分析了埋管在土壤中的傳熱機(jī)制，賈永英等[2]利用ANSYS和FLUNT模擬了U型埋管非穩(wěn)態(tài)傳熱，紀(jì)文杰等[3]利用TRNSYS仿真軟件對(duì)埋管性能進(jìn)行了分析測(cè)試。本文采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M與實(shí)地勘測(cè)相結(jié)合的方法，通過勘測(cè)大慶地區(qū)實(shí)際情況，建立相應(yīng)的U型埋管模型，以控制變量的方法進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，研究表明埋管系統(tǒng)換熱性能與其進(jìn)口流量、進(jìn)口溫度、埋管深度有著直接的關(guān)系，它們對(duì)埋管換熱效率影響甚大。

2 U型垂直埋管模型的建立

大慶處于北緯45°46'～46°55'東經(jīng)124°19'～125°12'，為嚴(yán)寒地區(qū)A區(qū)。依據(jù)大慶市氣象資料及大慶土壤層導(dǎo)溫系數(shù)，結(jié)合大慶土質(zhì)及含水量，模擬大慶土壤溫度變化情況，并設(shè)計(jì)埋管模型，如圖1所示。

3 垂直式埋管性能影響分析

3.1 埋管進(jìn)口流量對(duì)換熱的影響

垂直式U型埋管與地下土質(zhì)進(jìn)行換熱，設(shè)置進(jìn)口流量1.0m3/h、1.1m3/h、1.2m3/h、1.3m3/h、1.4m3/h、1.5m3/h，采用控制其他變量恒定方法來研究流量不同情況下，進(jìn)、出口溫差變化情況，模擬結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，隨流量增大進(jìn)、出口溫差逐漸變小，而總換熱量逐漸變大。

3.2 進(jìn)口溫度對(duì)換熱的影響

進(jìn)口溫度不同對(duì)U型埋管換熱也會(huì)不同，為研究換熱影響規(guī)律，設(shè)置進(jìn)口水溫依次為277k、278k、279k、280k、281k，模擬結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，隨進(jìn)口水溫增大換熱總量降低，而出口水溫變大。主要因?yàn)槌隹谒疁卦龇∮谶M(jìn)口水溫增幅，導(dǎo)致總換熱量減少。

3.3 U型埋管深度對(duì)換熱的影響

為研究埋管深度不同下的換熱影響規(guī)律，設(shè)置埋管鉆孔深度依次為40m、50m、60m、70m、80m，模擬結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，隨鉆孔深度增加，總換熱量和進(jìn)、出口水溫都會(huì)增大，而隨著鉆孔深度增加換熱效率會(huì)降低，投資費(fèi)用會(huì)增大。因此不宜盲目增大U型管鉆孔深度。

4 結(jié)束語

通過建立埋管模型，以控制變量的方法對(duì)埋管換熱性能進(jìn)行了模擬分析，得出各個(gè)變量對(duì)埋管換熱的影響情況。結(jié)論如下：

（1）工質(zhì)流量增大，進(jìn)、出口溫差降低，總換熱量增大。

（2）進(jìn)口溫度增大，出口溫度將增加，總換熱量減小。

（3）埋管深度增大，進(jìn)、出口溫度和總換熱量都增加。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hakan， Demir. Investigation of the effects of geometrical parameters on heat transfer from buried finned pipes[J]. Journal of Mechanical Science and Technology， 2013，27（8）：2497-2506.

[2]賈永英，周正.地源熱泵U型埋管非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值模擬[J].低溫建筑技術(shù)，2015，10（9）：139-141.

[3]紀(jì)文杰，游田.埋管設(shè)計(jì)對(duì)寒冷地區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)性能的影響[J].暖通空調(diào)，2015，45（3）：113-118.endprint