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地源熱泵埋管換熱器傳熱模型的研究進展點擊：1633 日期：[ 2014-04-26 22:14:06 ] |
| 地源熱泵埋管換熱器傳熱模型的研究進展 仇君 李莉葉 朱曉慧 (廣西大學機械工程學院 廣西南寧530004) 摘要:分析了國內外地源熱泵埋管換熱器的傳熱模型,指出了目前尚存在的問題,提出建立考慮地下水運動影響的更完善的傳熱模型,這對地源熱泵技術在我國南方富水土壤地區的有效推廣和應用有著極為重要的意義. 關鍵詞:地源熱泵埋管換熱器;傳熱模型;地下水滲流;熱濕遷移 中圖分類號:TU111.1 文獻標識碼:A 地源熱泵技術是一種非常有發展前景的環保節能型空調技術,而且已經成為我國暖通空調行業的熱點,成為國家建設部重點推廣的生態建筑和節能、環保的新技術之一.地埋管地源熱泵系統由于具有性能系數高、節能效果好、利用可再生能源、環保效果好、系統簡單等優點,在歐美應用較為廣泛,但在我國尚處于起步階段,目前只有很少的地埋管地源熱泵機組成功運行.我國地域遼闊,蘊藏著豐富的地表淺層(通常小于400m)地熱資源,因此有效利用淺層地熱資源,以克服傳統熱泵空調技術中的局限與不足,是非常有意義和有實用價值的. 而作為地源熱泵應用關鍵技術之一的地下埋管傳熱模型研究,一直是國內外地源熱泵研究的一個重點和難點.由于地下換熱極其復雜,想對其進行精確模擬是不可能的,只能采用近似模擬的方法.地下埋管換熱器傳熱模型的選用對地源熱泵的研究和技術推廣極為關鍵.合理的模型能較準確地反映地下換熱機理并指導選擇合適的換熱器形式和埋管方式,并做出更準確的經濟評價.實踐證明,一個好的傳熱模型用來指導工程應用是完全可行的. 1 地源熱泵埋管換熱器傳熱分析及傳熱模型 地埋管換熱器中的傳熱過程是一個復雜的、非穩態的傳熱過程,所涉及的時間尺度很長,至少為數月至數年;該傳熱過程所涉及到的幾何條件和物理條件也非常復雜.從總的方面來說,地埋管傳熱模型的主要目的是擬建熱泵運行期間大地的溫度場分布.理想情況下,傳熱模型應能描述土壤熱物性、密度、溫濕度、管材、管徑、管中流體物性、流速等諸多因素對傳熱的影響,但這將使數學求解十分困難,因此通常的研究都只能使用簡化的傳熱模型.所以,至今在國際上還沒有一致公認的地埋管換熱器的設計計算方法;地埋管換熱器傳熱模型的研究一直是地源熱泵空調系統的技術難點,同時也是該項技術研究的核心和應用的基礎. 到目前為止,已提出的地埋管換熱器傳熱模型有30余種,有穩態的、動態的,有一維、二維、三維有限差分法或二維有限元法等等.所有模型建立的關鍵是求解巖土溫度場的動態變化,基本理論有三種:(1)1948年IngersollandPlass提出的線源理論,它是目前大多數地熱源熱泵設計的理論基礎;(2)1983年BNL修改過的線源理論,它和線熱源理論的不同點在于它考慮了盤管內流體的流動性能特征;(3)1986年V.C.Mei提出的三維瞬態遠邊界傳熱模型,該理論建立在能量平衡基礎上,區別于線源理論,考慮了土壤凍結相界面的移動以及回填土等因素的影響. 下面分別對國外和國內的有關地源熱泵埋管換熱器傳熱模型的研究進展做更詳盡的總結. 1.1 國外 目前國外應用比較廣泛的傳熱模型主要有三種:V.C.Mei模型,IGSHPA模型和NWWA模型. 不同的分類標準傳熱模型有很多分類,這里根據模型計算方法的不同將模型分為三類,分別如下(由于篇幅限制,詳細的討論只選其中代表性的幾個): 采用解析法的傳熱模型主要有:Ingersoll模型、IGSHPA模型、Kavanaugh模型、Hart和Couvillion模型、V.C.Mei模型. (1)IGSHPA模型.IGSHPA(InternationalGround-SourceHeatPumpAssociation)模型是北美確定地下埋管換熱器尺寸的標準方法.該模型以Kelvin線熱源理論為基礎,以年最冷月和最熱月負荷為計算依據來確定地下埋管換熱器的尺寸,并利用能量分析的BIN方法計算季節性能系數和能量消耗.該模型考慮了多根鉆孔之間的熱干擾,及地表面的影響.但是沒有考慮熱泵機組的間歇運行工況、灌漿材料的熱影響、管內的對流換熱熱阻.不能直接計算出熱泵機組的進液溫度,而是使用迭代程序得到近似的其它月的平均進液溫度.實際應用表明,應用該模型計算換熱器的尺寸一般會偏大10%～30%. (2)Kavanaugh模型.Kavanaugh(1984)以Ingersoll(1954)等改進的圓柱熱源理論為基礎,建立了埋管(柱熱源)到周圍土壤隨時間變化的溫度分布傳熱模型.假設條件為:1傳熱以純導熱方式進行;2土壤與埋管接觸緊密;3把土壤看作一無限大物體;4土壤熱物性均勻且不變;5無地下水流動;6沒有鄰近管井的熱干擾.該模型考慮了遠邊界溫度隨深度和以年為單位的時間發生變化;對U型管考慮了熱流密度不均勻性的修正,并且考慮了兩腿間熱短路的修正;熱泵機組的間歇運行工況采用疊加原理來考慮;另外也考慮了管內的對流換熱熱阻.因而可以準確計算出熱泵機組進液溫度.但是它沒有考慮灌漿材料的熱影響. (3)V.C.Mei模型.該模型建立在能量守恒的基礎上,由系統能量平衡結合熱傳導方程構成.假設條件為:1巖土是均勻的;2埋管內同一截面流體溫度、速度相同;3巖土熱物性參數不變;4不考慮熱濕遷移的影響;5忽略埋管與巖土的接觸熱阻.在這些假設的基礎上,該模型可以對各截面的徑向傳熱建立方程,通過截面推移得到三維溫度場.采用該模型模擬大地溫度場的分布,無論是運行期還是過渡期,其計算結果與實測結果都比較吻合. 采用數值法的計算模型主要有:V.C.Mei和Emerson模型、NWWA模型、Glhepro與Gchpca模型、Muraya模型、Rottmayer,Beckman,Mitchell模型、Shonder和Beck模型、Yavuzturk模型、T-K.Lei模型. (1)V.C.Mei和Emerson傳熱模型.V.C.Mei和Emerson在1988年提出的關于垂直埋管的二維瞬態熱平衡模型.假設條件為:1土壤物性均勻一致;2忽略接觸熱阻及土壤濕遷移;3忽略地表面的影響;4埋管同一截面的流體具有相同的溫度與流速;5忽略熱短路的影響;6忽略土壤在深度方向與圓周方向的導熱.該模型適用于水平管段,考慮了管周圍凍土影響. (2)NWWA(nationalwaterwellassociation)模型.該模型是在Kelvin線熱源方程分析解的基礎上建立巖土層的溫度場,進而確定換熱器的尺寸.它可以直接給出換熱器內平均流體溫度,并采用疊加法模擬熱泵間歇運行的情況. (3)Yavuzturk模型.Yavuzturk等(1999)運用極坐標系(徑向-方位角方向)建立了二維瞬態熱平衡模型.將U型埋管的兩根圓管分別采用非圓管近似代替.將管內流體與土壤的對流換熱(即定熱流邊界條件)作為離散方程中的源項處理.該模型假設為:1土壤熱物性均勻一致;2忽略接觸熱阻及土壤濕遷移;3忽略地表面對地下換熱的影響;4忽略沿深度方向的傳熱. 采用解析與數值混合解法的模型有:Eskilson傳熱模型、Hellstrom模型. Eskilson模型是基于有限線熱源的數值解建立的.該模型由于考慮了鉆孔深度的影響,結果更加精確.然而由于求解過程比較復雜,因此Eskilson考慮采用“G函數方法”對傳熱模型進行近似求解.Eskilson把鉆孔內的熱阻分為三部分:兩管腳之間的熱阻以及每個管腳到鉆孔壁的熱阻,三者之和構成了鉆孔的總熱阻,鉆孔內傳熱認為是準穩態傳熱過程.該模型可以計算鉆孔間的熱影響,還可以計算不同的建筑負荷.但是也存在一些缺陷:不同鉆孔布置的“G函數”有限,鉆孔面積隨鉆孔深度變化.此外,模型還存在一個合理的時間步長,時間步長太小(<2h),需要考慮流體、埋管以及鉆孔的非穩態效應,因此不適合于Eskilson模型. 通過對比我們可以發現,幾乎所有的傳熱模型都沒有考慮地下水滲流和熱濕遷移的影響.而國內外已有文獻表明地下水橫向滲流對巖土體傳熱過程有極大的影響.同時由于土壤的導熱系數隨著含水量的變化會產生較大的變化,所以熱濕遷移對于熱泵的換熱性能影響也很大.在已知的少量文獻中,Eskilson[1]利用了Carslaw[2]等給出的移動線熱源問題的穩態解析解,討論了在達到穩定狀態以后滲流對地埋管換熱器的影響.由于地埋管換熱器涉及的范圍大,通常需要數年或更長的時間才能達到基本穩定,因此實際應用中必須討論瞬態問題.在無法求得解析解的情況下,Chiasson[3]等人利用有限元法數值求解了二維瞬態的滲流問題,對一些實際問題進行了計算和比較,但未能找到較一般的規律和結論. 1.2 國內 國內對地埋管換熱器傳熱理論方面的研究起步較晚,而且多以實驗研究為主,主要研究成果有: (1)重慶建筑大學劉憲英、胡鳴明、魏唐棣等采用能量平衡法,結合V.C.Mei三維瞬態遠邊界傳熱模型,建立了淺埋豎管土壤源熱泵傳熱模型;按徑向和管長方向建立了二維溫度場數學模型;其中包括單管間歇(或連續)運行傳熱模型、串聯套管傳熱模型、管群傳熱模型.該模型得到的理論值經驗證,比實驗值低15%左右. (2)青島理工大學建立了U型豎埋管周圍巖土體溫度場的二維非穩態傳熱模型,計算結果與實測值吻合較好,并計算得到了U型地埋管換熱器的熱作用半徑. (3)同濟大學張旭等人建立了一維非穩態傳熱模型;山東建工學院曾和義等人提出了U型埋管換熱器中介質軸向溫度的數學模型;并開發了有自主知識產權的用于單根U型管的地埋管換熱器的設計和模擬計算軟件“地熱之星”,已開始推廣應用. (4)哈爾濱工業大學提出了準三維非穩態U型地埋管換熱器傳熱模型,以對巖土體蓄冷與地埋管地源熱泵系統進行研究,模擬值與實驗結果有較好的一致性. 可喜的是我國的研究人員已經開始了地下水運動對傳熱影響的研究:天津大學建立了飽和型多孔介質套管式換熱器的理論模型[4];浙江大學分別建立了考慮地下水運動和考慮熱濕遷移的地埋管換熱器的傳熱模型[5];山東建工學院建立了有地下水滲流的地埋管換熱器傳熱模型[6];哈爾濱工業大學也建立了考慮熱傳導和地下水流動共同作用下的地埋管換熱器的傳熱模型,并且對單井地埋管進行了初步分析,結果表明地下水滲流能夠增強盤管的換熱能力,有滲流的巖土體溫度場相對于無滲流的近于中心對稱的巖土體溫度場已經發生變形,因此如果盤管埋在有滲流的巖土體中,而在設計計算中未考慮滲流的影響,則會造成設計容量偏大,帶來經濟和資源上的浪費[7,8].但是由于該問題的復雜性,目前還沒有更深入的理論分析. 2 地源熱泵技術在我國南方富水土壤地區的應用優勢 我國南方地區有著豐富的地熱資源,而南方的雨水及地下水又比較豐富,土壤以富水土壤為主,而且地下水位高,這就為土壤熱交換器閉式地源熱泵系統的應用提供了得天獨厚的條件.無處不在的水對土壤的傳熱效率產生了很大的影響,可想而知,同樣的熱泵功率,在南方地下埋管深度可比北方減少很多,初期投資成本也就大大降低.那么采用一個更完善的傳熱模型更準確地反映地下換熱機理并指導選擇合適的換熱器形式和埋管方式,并做出更準確的經濟評價就顯得極為重要了. 3 結論 目前雖然很多研究者認識到地下水滲流和熱濕遷移對地埋管換熱器的傳熱產生重要的影響,也做過一些定性的分析,但是由于該問題的復雜性,至今很少見到深入的理論分析.因此,在進一步完善地埋管換熱器與巖土體的傳熱模型時,應充分考慮其穿越的不同地質層、地下水運動等因素的影響,這依然是今后完善埋管換熱器的傳熱模型需要考慮的重點.這樣的完善的模型對地源熱泵技術在我國南方富水土壤地區的有效推廣和應用有著極為重要的意義. |
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