《地埋管换热器传热过程的数值模拟研究》读书报告

《地埋管换热器传热过程的数值模拟研究》——读书报告地埋管换热器的传热计算研究是地源热泵系统的难点，同时也是地源热泵技术的核心和应用基础。因此，地源热泵技术的推广应用，关键和难点也就在于对地埋管换热器的传热机理及模型进行分析，建立准确的设计计算方法。北京工业大学的杨刚杰在前人研究的基础上对模型进行了改进，使其能更精确的模拟地源热泵系统，并且从单管模型延伸到管群模型，对地埋管管群的布置方法进行了讨论研究，最后总结规律提出新的地埋管管长计算方法。下面简要介绍一下文章中提出的优化后的管群数值模型。在土壤源热泵系统中，单根地埋管换热器埋入地下深度一般为一百米，随着深度的增加，热泵系统的投资成本也随之几何增长。但实际工程中单根换热器难以满足负荷需求，因此工程会采用由几十根或者上百根地埋管换热器组成的管群来满足工程要求。为了保证管群换热器能高效率长期运行，必须要设计出合理的管群配置方式，如埋管深度、埋管数量、埋管间距、埋管排列方式等。埋管太深会增加工程投资成本，埋管间距太小会造成埋管间热干扰印象长期运行和蓄热能力，埋管间距太大会增大工程需求地面面积。为了综合考虑各个影响因素提高管群的换热效率，有必要建立地埋管换热器管群模型进行模拟，从而得出优化方案。实际地源热泵工程中的管群排列方法主要有两种，顺排和叉排，其排列方法分别如图1所示。顺排方法是以4根管为最小单位组成的正方形排列，每行每列间距相等；叉排方法是以3根管为最小单位组成的正三角形排列，每根管与其相邻管的间距相等。本文选取顺排图a)中的3×3阵列的正方形区域建立了管群顺排模型，选取叉排图b)中正六边形区域建立了管群叉排模型。图1、管群排列示意图在地埋管换热器单管模型基础上，利用Gambit软件建立管群模型，并且划分网格，方法与单管模型的方法相同，划分好网格之后的模型图如图2所示：图2、管群模型的网格划分模拟计算分别采用有地下水渗流和无地下水渗流模型，两模型又分别有叉排和顺排两种排列方法，管群的管间距为3m。有渗流时多孔介质的孔隙率为0.37。地下水流速恒定为5e-6m/s，渗流方向在顺排时与埋管排列方向0度和45度夹角，在叉排时与埋管排列方向成0度和30度夹角。其他模拟计算条件与上小结相同，使用Fluent进行非稳态连续模拟计算60天。当无地下水渗流时，连续运行60天的单位面积换热量变化趋势如图3所示。由图可知，在连续运行前30天内，叉排的管群单位面积换热量明显高于顺排的，但是随着运行时间的增加，差距逐渐减小，运行至42天时已经无差别，继续运行时顺排的单位面积换热量逐步超过叉排。出现这种状况是因为叉排方法管群的占地面积小，系统的连续长时间运行时热堆积相对更严重。因此顺排更适合长时间连续运行，叉排适合短时间连续运行或者间歇性运行。图3不同排列方法的单位面积换热量当有地下水渗流并且渗流方向同顺排方法的换热器排列方向成45°夹角，渗流方向同叉排方法的换热器排列方向成30°夹角时，连续运行60天时管群单位面积换热量变化趋势如图4所示。由图可知，叉排方法的单位面积换热量高于顺排。相对于渗流方向是换热器排列方向时，顺排平均高出7.3%，叉排平均高出9.2%。这是因为在地下水渗流方向上的管间距相对更大，管间热干扰相对减小。连续运行至10天时，管群地下5米处土壤温度场云图如图4的c、d所示。因此，无论叉排还是顺排，在地下水渗流方向上的管间距保持最大时，管群换热能力最强。图4、不同排列方式的土壤温度场综上所述，通过模拟管群不同排列方法、地下水不同渗流方向的传热过程，可在实际地埋管工程设计管群时做以下优化：（1）地埋管换热器管群的换热能力与管群的管间距密切相关。增大管间距会一定程度上增强管群换热能力，当管间距增大至不会发生管间热干扰后管群换热能力提高幅度减小。（2）管群的顺排排列方法适合管群连续长时间运行，管间热干扰小，缺点是占地面积大。叉排排列方法适合短时间连续运行或者间歇性运行，节省占地面积，有利于蓄热，但是热堆积现象严重。实际设计需要根据工程现场的可用面积和运行方式综合确定。（3）地下水渗流会增强管群的换热能力，但是也减弱了管群蓄热能力。对于可用埋管面积小的工程宜采用叉排排列方法。无论叉排方法还是顺排方法，都应该使管群管间距在地下水渗流方向上最大，即换热器排列方向在顺排时与渗流方向成45°夹角，叉排时成30°夹角，这样能尽大程度减小换热器管间热干扰，提高管群的换热能力。