凍土層對(duì)地源熱泵水平埋管換熱器傳熱性能的影響

凍土層對(duì)地源熱泵水平埋管換熱器傳熱性能的影響

0地埋管換熱器的數(shù)據(jù)分析在地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意垂直埋地設(shè)計(jì)，并忽視平方米水平連接管與周圍土壤之間的交換。尤其在北方的冬季,凍土層會(huì)對(duì)換熱器的換熱效果產(chǎn)生不良影響,直接影響建筑物冬季的采暖。對(duì)于大面積的地源熱泵系統(tǒng),水平埋管部分在整個(gè)系統(tǒng)中占有較大的比例,因此有必要對(duì)水平埋管部分在凍土層中的換熱情況做出定量分析。國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2005)中考慮了凍土層對(duì)換熱器的影響,規(guī)定豎直地埋管換熱器系統(tǒng)水平連接管的深度應(yīng)在凍土層以下0.6m,且距地面不宜小于1.5m。但是在規(guī)范實(shí)施之前,在設(shè)計(jì)中很多水平地埋管換熱器的設(shè)計(jì)埋深都在當(dāng)?shù)囟緝鐾翆又畠?nèi)。實(shí)際調(diào)查可知在北京、天津和其他地區(qū)有很多這種設(shè)計(jì)形式的地埋管工程項(xiàng)目,因此,研究水平埋管在凍土層中的換熱特性對(duì)現(xiàn)實(shí)工程有重要的指導(dǎo)意義。土壤的凍融過程是一個(gè)復(fù)雜的含濕多孔介質(zhì)體的非穩(wěn)態(tài)相變傳熱過程,由于土壤水是含有各種雜質(zhì)的非純凈物質(zhì),從而使得土壤水的相變過程不是嚴(yán)格在某一溫度下發(fā)生,而是在小的范圍內(nèi)發(fā)生。本文建立了考慮土壤凍結(jié)相變過程的凍土層水平埋管傳熱模型,基于顯熱容方法利用ANSYS重點(diǎn)對(duì)地源熱泵水平地埋管換熱器周圍土壤的凍結(jié)特性及其對(duì)埋管換熱的影響進(jìn)行研究,探討土壤凍結(jié)和土壤含水量對(duì)地埋管周圍土壤溫度分布及GHE傳熱損失的影響。1月平均氣溫計(jì)算公式為土壤的凍結(jié)現(xiàn)象通常涉及復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)機(jī)理,在規(guī)范之中并沒有給出詳細(xì)的凍土深度計(jì)算模型。但是在實(shí)際應(yīng)用中,凍土層平均深度可以通過以下公式計(jì)算。式中:∑|Tm|指低于0℃月平均氣溫的累計(jì)值,可以從氣象統(tǒng)計(jì)資料查的。從式(1)可知隨著溫度的減小,凍土層的深度會(huì)增加。北京、天津地區(qū)的凍土層深度大概在0.45~0.5m之間。圖1所示為北京某工程的地源熱泵系統(tǒng)水平連接管的布置形式,回填材料選用細(xì)沙和小粒徑沙石。由于此工程建于規(guī)范(GB50366-2005)實(shí)施之前,并未按照規(guī)范埋深要求施工。明顯看出,地埋管埋深處于凍土層范圍之中。2加熱模型的構(gòu)建2.1冬季凍土層中措施由于地源熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行時(shí),土壤在埋管軸向上熱傳導(dǎo)相對(duì)弱得多,因此可以不考慮軸向因熱損耗而引起的溫度衰減,僅計(jì)算埋管橫斷面上的溫度場(chǎng)分布。同時(shí),在冬季凍土層中運(yùn)行時(shí),埋管對(duì)周圍土壤加熱,使凍土中的冰產(chǎn)生相變?nèi)诨?所以對(duì)地埋管周圍溫度場(chǎng)的計(jì)算采用具有相變問題的凍土二維溫度場(chǎng)計(jì)算模型。為了使數(shù)學(xué)研究成為可能,作以下假設(shè):(1)土和凍土顆粒不可壓縮;(2)土壤為各向同性、均質(zhì)、孔隙分布均勻的剛性含濕多孔介質(zhì),且孔隙中充滿水;(3)忽略土壤熱濕遷移耦合作用及對(duì)流效應(yīng)影響;(4)土壤為無鹽土,即不考慮溶質(zhì)的影響;(5)凍結(jié)的和未凍結(jié)的土壤熱物性參數(shù)均為常數(shù)。2.2凍結(jié)溫度f考慮凍結(jié)情況下,地埋管周圍溫度場(chǎng)的求解問題是一個(gè)有相變、移動(dòng)邊界、內(nèi)熱源、邊界條件復(fù)雜的不穩(wěn)定導(dǎo)熱問題。其導(dǎo)熱方程為:在Ωf內(nèi):在Ωu內(nèi):式中:符號(hào)f,u分別表示凍、融狀態(tài);Tf,cf,Ωf,Ωf分別表示凍結(jié)區(qū)內(nèi)土壤的溫度、比熱、密度和導(dǎo)熱系數(shù);帶“u”者為凍融區(qū)內(nèi)相應(yīng)的物理量。在移動(dòng)的凍融交界面是s(τ)上,必須滿足連續(xù)條件和守恒條件,即:式中:Ω為含水巖土的冰水相變潛熱;n為移動(dòng)邊界的方向矢量;Tm為凍結(jié)溫度。本文計(jì)算區(qū)域?yàn)?m×3m,凍土層深度0.7m,埋管深度0.5m,埋管處于凍土層之中。圖2為該模型計(jì)算網(wǎng)格模型,X為水平軸,Y為豎直軸,采用三角形網(wǎng)格劃分,共計(jì)5212個(gè)單元。2.3邊境條件2.3.1地溫5、6模型對(duì)于垂直埋管換熱器,主要考慮更深層土壤的換熱,無限遠(yuǎn)的邊界條件視為恒溫。然而,對(duì)于淺層土,溫度會(huì)隨著空氣的溫度波動(dòng)。Y方向上的溫度梯度應(yīng)當(dāng)要考慮。本文采用以下模型計(jì)算地溫[5、6]:式中:τ為從地表面溫度年波幅出現(xiàn)算起的時(shí)間,h;y為從地面算起的地層深度,m,地面y=0;T(y,t)為在時(shí)刻深度處的地溫,℃;Tm為年平均地表面溫度,℃;Aw為地表面溫度年周期性波動(dòng)波幅,℃;T為土壤溫度年波動(dòng)周期,h,T=365×24=8760h;a為大地的導(dǎo)溫系數(shù),m2/s。從1981~1998年平均情況來看,地面最低溫度為-5.1℃,最高溫度為28.5℃,則上式可以簡(jiǎn)化成:2.3.2凍土層深度計(jì)算假設(shè)左右兩個(gè)圈分別代表進(jìn)、回液管。根據(jù)設(shè)計(jì)需要,選用DN90的高密度聚乙烯管(8mm厚)作為水平地埋管換熱器。冬季工況,進(jìn)、回水溫度分別為3℃、8℃。計(jì)算時(shí)忽略管內(nèi)和流體之間的熱阻,采用恒溫邊界條件,考慮進(jìn)、回液管的傳熱熱阻。初始條件以式(7)為地表邊界條件進(jìn)行反復(fù)計(jì)算多年,直至得到穩(wěn)定的溫度場(chǎng)為止,將此時(shí)獲得的溫度場(chǎng)作為該計(jì)算的初始條件。計(jì)算得到,凍土層深度0.7m,可見埋管處于凍土層之中。根據(jù)式(7),計(jì)算時(shí)間從地表溫度為最低值時(shí),即τ0=0時(shí)開始到運(yùn)行30天。2.4材料的計(jì)算參數(shù)凍結(jié)區(qū)、未凍結(jié)區(qū)各熱物性參數(shù)可確定如下[9、10]:凍結(jié)區(qū)未凍結(jié)區(qū)式(8)~(9)中,下標(biāo)g表示干土壤,i表示凍結(jié)冰,w表示水;ε為土壤含水量。各種材料計(jì)算參數(shù)如下:冰水的相變潛熱L=3.4×105kJ/m3。由文獻(xiàn)可以得到粘土平均凍結(jié)溫度為-0.1℃~-1.2℃,沙土為-2℃~-5℃。所以在分析中,凍結(jié)溫度取-1℃。3凍結(jié)狀態(tài)下初始溫度場(chǎng)本文采用ANSYS進(jìn)行模擬,土壤在冬季凍結(jié)后,由于地源熱泵進(jìn)、回液管溫度高于周圍土壤,土體中的凍結(jié)冰融化吸收潛熱,對(duì)周圍溫度場(chǎng)影響很大。模擬中采用顯熱容方法,把相變潛熱折算成在一個(gè)小的溫度范圍內(nèi)的顯熱容,顯熱容的大小由相變潛熱和相變溫度范圍所決定。在ANSYS有限元程序中,結(jié)冰潛熱可以通過定義材料中的焓值變化來實(shí)現(xiàn)。圖3為凍結(jié)狀態(tài)下初始溫度場(chǎng)。圖4所示水平地埋管運(yùn)行30d溫度場(chǎng),進(jìn)水、回水溫度分別為3℃、8℃。由于埋管的溫度高于周圍的土壤,使周圍的凍土中的冰產(chǎn)生相變?nèi)诨?因而會(huì)造成水平地埋管換熱損失。由圖可見:由于回水管溫度高于進(jìn)水管,回水管換熱要?jiǎng)×乙恍?相對(duì)于周圍的土壤,回填區(qū)域材料導(dǎo)熱系數(shù)較大,此區(qū)域熱交換對(duì)溫度場(chǎng)影響也較大。3.1根據(jù)凍結(jié)條件下的熱損失圖5為考慮土壤凍結(jié)與不考慮土壤凍結(jié)情況水平管散熱損失的對(duì)比,可見不考慮凍結(jié)相變時(shí)進(jìn)、回液管開始運(yùn)行2h后的散熱熱損失分別為18.6W/m和52.7W/m,而相應(yīng)考慮凍結(jié)相變時(shí)的散熱損失為79.7W/m和140.1W/m。模擬運(yùn)行一個(gè)月后,不考慮凍結(jié)情況下熱損失約占考慮凍結(jié)相變情況下的35%。因此水平埋管位于凍土層內(nèi)時(shí),不能忽略相變吸熱。3.2充填材料含水量對(duì)自限溫排放的影響通過圖6~7可以看出供、回液管隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,散熱損失逐漸減小。如對(duì)于含水量20%的土壤前50h,回液管熱損失從140.1W/m降到55.4W/m;進(jìn)液管熱損失從79.7W/m降到24.8W/m。之后250h,進(jìn)、回液管散熱趨勢(shì)平緩,回液管熱損失降到37.5W/m,進(jìn)液管熱損失降到8.8W/m。這主要是因?yàn)檫M(jìn)、回液管周圍的凍土融化后,周圍土壤導(dǎo)熱系數(shù)變小,導(dǎo)致傳熱熱阻變大;另外由于地表溫度逐漸上升,導(dǎo)致水平埋管周圍土壤溫度也上升,導(dǎo)致埋管與周圍土壤溫差減小。故使得散熱損失減小。同時(shí)可以看出隨著回填材料含水量的增加,進(jìn)液管的散熱損失先減小,大約50h后逐漸增加;而回液管的散熱損失一直減小。這主要因?yàn)槁窆軠囟雀哂谥車寥纼鼋Y(jié)溫度,回填材料中凍結(jié)冰融化,由于水的導(dǎo)熱系數(shù)小于周圍土壤的導(dǎo)熱系數(shù),含水量越大,導(dǎo)熱系數(shù)越小,傳熱熱阻越大,使得回液管散熱損失隨著含水量的增加而減小。但是進(jìn)液管除與周圍土壤換熱外,還可能由于溫差受回液管散熱的影響。在系統(tǒng)運(yùn)行初期,進(jìn)液管自身進(jìn)行散熱,不受回液管的影響,隨著含水量增加,土壤導(dǎo)熱系數(shù)變小,造成進(jìn)液管散熱量也相應(yīng)減小;大約50h后,進(jìn)液管受到回液管的影響,靠近回液管的一側(cè)的吸收回液管散發(fā)的熱量,造成“熱短路”現(xiàn)象,使得進(jìn)液管熱損失增加(如圖8所示)。圖9可知,進(jìn)、回液管總的散熱量逐漸減小,說明回液管的散熱量占主要地位。如含水量20%的土壤,前50h總散熱損失由219.8W/m降到80.2W/m,之后1月時(shí)間,散熱損失降到30.1W/m。因此可以說,隨著含水量的增加,凍土層融化后導(dǎo)熱系數(shù)相應(yīng)變小,導(dǎo)熱熱阻變大,對(duì)水平地埋管換熱器起到了保溫作用。因此,這對(duì)水平地埋管換熱器是有利的。按國家規(guī)范“地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范”(GB503662-2005)中對(duì)水平埋深要求,水平埋管設(shè)計(jì)深度至少為1.1m(0.5+0.6)。圖3所示,這個(gè)深度大于凍土層最大深度0.7m,故計(jì)算結(jié)果和規(guī)范規(guī)定吻