地下换热器（精选4篇）
地下换热器 篇1
摘要：结合地源热泵的工作原理,从钻孔、下管、灌浆封井、换热器安装及管道连接方面介绍了地源热泵地下换热器的操作方法,并总结归纳了操作的要点及难点,从而为地源热泵换热器系统节能工程的施工积累经验。
关键词：地源热泵,地下换热器,施工工艺,难点
地源热泵空调换热是一种利用含有大量能源的土壤(地下热)作为吸热或排热的热交换器,实现空气调节的系统,本工艺适用于地源热泵换热器系统节能工程施工。
1 工艺原理
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源,即在冬季,把地能中的热量“取”出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量取出来,释放到地能中去。热泵机组的能量流动是利用其所消耗的能量(如电能)将吸取的全部热能(即电能+吸收的热能)一起排输至高温热源。而其所耗能量的作用是使制冷剂压缩至高温高压状态,从而达到吸收低温热源中热能的作用。
2 施工工艺
2.1 施工工艺流程
地源热泵地下换热器施工工艺流程见图1。
2.2 操作方法
1)钻孔。
钻孔是竖埋管换热器施工中最重要的工序。为保证钻孔施工完成后于孔壁保持完整,如果施工区地层土质比较好,可以采用裸孔钻进;如果是砂层,孔壁容易坍塌,则必须下套管。
2)下管。
下管必须保证下管的深度。下管采用人工下管或机械下管,下管前应将U形管与灌浆管捆绑在一起,在钻孔完毕后,立即进行下管施工。钻孔完毕后孔洞内有大量积水,由于水的浮力影响,将对放管造成一定的困难;而且由于水中含有大量的泥砂,泥砂沉积会减少L洞的有效深度。每钻完一孔,应及时把U形管放入,并采取防止上浮的固定措施。在安装过程中,应注意保持套管的内外管同轴度和U形管进出水管的距离。对于U形管换热器,可采用专用的弹簧把U形管的两个支管撑开,以减小两支管间的热量回流。下管完毕后要保证U形管露出地面。
3)灌浆封井。
灌浆封井即回填工序。在回填之前应对埋管进行试压,确认无泄漏现象后方可进行回填。回填物中不得有大粒径的颗粒,回填时必须根据灌浆速度的快慢将灌浆管逐步抽出,使混合浆自下而上回灌封井,确保回灌密实,无空腔,减少传热热阻。当上返泥浆密度与灌注材料的密度相等时,回填过程结束。
4)换热器安装及管道连接。
对于高密度聚乙烯(PE)管段和管件之间的连接都采用专用设备进行热熔焊接。对于埋深不大或场地允许时,应在地面把套管连接好,然后利用钻塔进行放管。对于承插式连接,一定注意在活性胶干了之后才能使用。
2.3 操作要点和难点
2.3.1 施工难点
1)联络管防水处理。换热孔管道经水平联络管汇集,穿结构底板进入检查井内的分集水器,各个分集水器通过管道汇集,最终进入到机房内与热泵机组相连。2)施工中对基底的扰动问题。由于地埋管位于底板下,钻孔施工中的泥浆坑开挖、设备碾压、联络管管沟开挖等等均会破坏原状土,从而对基底产生扰动,见表1。
2.3.2 施工要点
1)一般规定。a.地埋管换热系统施工前应具备埋管区域的工程勘察资料、设计文件和施工图纸,并完成施工组织设计。b.地埋管换热系统施工前应了解埋管场地内已有地下管线、其他地下构筑物的功能及其准确位置,并应进行地面清理,铲除地面杂草、杂物和浮土,平整地面。2)施工工序。a.按照图纸要求开钻竖井。b.U形管换热器的制作。c.U形管换热器的第一次试验打压。d.下管。e.U形管换热器的第二次试验打压。f.回填。3)钻凿竖井施工工艺。a.在泥浆旋转钻孔方式中,应沿钻管内部送入高压水或泥浆,并沿着钻杆的外侧将钻屑送回地面。钻孔过程中产生的泥浆水从钻孔位置冒出地面,在施工前应制订好排水措施,可顺地势挖出排水沟,并在沟的末端挖一个泥浆池,钻孔过程中产生的泥浆在泥浆池中沉淀,作为回填物使用。b.安装竖直埋管土壤热交换器需要竖直钻孔机械。根据地质条件可选用泥浆旋转钻孔机械。c.在保证设计埋管总长度的前提下,根据现场施工出现的特殊情况,如遇到坚硬的岩石层或泥砂层,可适当调整钻孔的位置、深度与数量。d.如出现土壤极不牢固的情况,宜采用空心杆螺旋钻机钻孔。钻孔时,空心螺旋钻杆可充当钻孔的保护套管。钻孔完成后,将钻杆底部的钻尖击落,从钻杆内部插入埋管,然后将钻杆拉出或旋出。e.当钻孔深度的增加对钻孔速度的降低和费用的增加影响不大时,钻孔深度宜增大。4)U形管换热器的制作。a.首先按照设计图纸的要求,使用专业的管剪截取相应的管道长度(U形管的单管长度应能满足插入钻孔后与环路集管连接的长度要求)。b.U形埋管换热器的U形弯管接头,宜选用定型的U形弯头成品管件热熔或电熔连接。也可以采用两个90°的弯头加短管对接的方式构成U形弯管接头,但应保证管件、管材接点符合设计、使用要求。c.连接完成的U形换热器管的两开口端部,在完成打压后,应及时密封。5)U形管道换热器的安装。a.等竖井孔壁固化后,应立即将焊接完毕、打压合格并注满清水的U形换热管道垂直的放入开钻完成的竖井内,下管时应注意保持管道与竖井的同心度,减少管材、管件与竖井管道的摩擦,U形管下部端头应设保护装置。b.下管结束后,应立即进行管道打压,确认无泄漏方可进行回填。c.打压合格后要对U形管两端口采取有效的临时封堵措施。6)回填工艺及下管工艺。a.钻孔深度及孔内地下水水位较浅时,宜采用人工下管。当下管较困难时,可采用机械下管。b.垂直土壤热交换器下管完成后应在12 h内用灌浆材料回灌封孔。灌浆应密实,无空腔。
3 结语
随着空调工业的发展,先进的中央空调系统不断的出现,空调在现代建筑中扮演着越来越重要的角色。人们对空调的要求也不断提高,节能、环保、灵活成为今后共同追求的目标。近年来,随着国际经济技术合作的不断深入,地源热泵中央空调系统进入了我国,并通过在工程中的成功运用得到了空调界人士的认可和推崇,成为了我国中央空调发展的趋势,体现了节能、环保、灵活、舒适的新概念。
参考文献
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地源热泵系统地下换热器施工技术 篇2
关键词：地源热泵系统,地下换热器,施工,节能系统
我国地源热泵起源于20世纪80年代,21世纪到了推广普及阶段。现在,地源热泵技术在中国大规模实施工作已开始,全国从北到南、从东到西到处都在广泛的应用这一节能环保技术。本文根据几年的实际施工经验对地埋管换热器在施工中的施工工艺作一讨论。因施工不当引起的质量问题有以下几方面:钻井深度不够;下管深度不够、下管不垂直、管材焊接接头缩口、焊接接头漏水、地面下沉接头断裂等。本文主要针对以上可能出现的问题进行阐述,并提出解决的办法。
1 地源热泵系统
地源热泵系统是利用地球表面或浅层水源作为冷热源,进行能量转换的空调系统。
地源热泵系统技术利用储存于地表浅层近乎无限的可再生能源提供空调及采暖,成为可再生能源的一种形式。
地源热泵免除了碳、渣、二氧化硫等污染物排放,可以说地源热泵是一种清洁能源方式。
地球表面温度一年四季相对稳定,一般为10 ℃～25 ℃,冬季比环境温度高,夏季比环境温度低,是热泵很好的冷热源,这种温度特性使水源热泵制冷、制热系数高。因此可以说地源热泵系统属于一种高效的节能系统。
2 工作原理
根据地热能交换系统形式不同,地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。本文主要阐述地埋管地源热泵系统。在冬季,地源热泵系统通过利用热交换器获取地下的热量,而后由环路中的循环水,通过环路水泵把热量带到室内,再利用地源热泵机组通过电驱动的压缩机和热交换器把大地的能量集中,使之达到较高的温度,释放到室内。在夏季,此过程则相反,地源热泵机组将从室内抽出多余的热量排入环路中,再通过环路把热量向大地释放,并被大地吸收,使房间温度降低,达到供冷的目的。
3 应用方式
地埋管地源热泵系统根据所需土壤换热地表面积大小要求的不同,可以分为垂直埋管方式和水平埋管方式。水平埋管和垂直埋管均可以使地埋管地源热泵系统达到很好的使用效果,两者间最大的不同主要表现在垂直埋管方式占地面积远远小于水平埋管方式,但是水平埋管方式施工难度要小于垂直埋管方式。
4 地下埋管换热器的施工
4.1 室外钻孔
工程钻孔是地下换热器施工过程中最重要的环节。钻孔过程中产生的泥浆水从钻孔的位置冒出地面,所以施工前,先设计并布置好排水沟,并在沟末端连接一个灌浆池,钻孔过程中产生的泥浆也可以在灌浆池中沉淀,沉淀后可做回填土。
钻孔常出现的问题及解决办法:
在大规模埋管中,钻孔偏斜问题非常严重,为了避免钻孔交叉,防止对已经安装的地下换热系统产生破坏,必须尽量防止钻孔偏斜,主要方法是尽量直接在钻头上部加压,以保证孔的垂直度。施工中常用的工艺还有在钻杆处做圆形护圈,通常25 m～30 m做一个,这样既能保证孔的垂直度,又可防止缩孔造成下管困难。通常室外地埋区域相对较大时孔与孔之间的间距最好不少于4.5 m,这样换热效果也大大提高了,同时大大降低了钻孔偏移带来的不利影响。施工中遇到较软砂土层时,上层施工容易造成塌方。通常这种情况下需要填充红黏土或者膨润土进行护壁,如还不能解决问题,就需要添加护壁套管,通常要加至砂土层以上,避免塌方带来损失。
4.2 地埋管管材与管件的熔接
地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件,目前我国地埋管的施工通常采用PE管(80或100系列),这种管材使用寿命可长达50年,稳定性强。
管材及管件连接常出现的问题及解决办法:若管材和管件熔接的时间过长,会造成管材的外壁和内壁全部变软,熔接时,因用力过猛而造成管材内部卷边,缩小了管材的口径,影响了水的流量,即影响制冷量,所以热熔焊接一定要把握好时间和温度。温度一般控制在不低于250 ℃,根据热熔器温升的不断提高,掌握热熔时间的长短,温度高了熔接的时间相对就缩短了;根据管径的粗细其热熔的时间也有所不同,在掌握热熔器的特性的情况下来熟练把握焊接技术。熔接的质量直接影响系统的稳定性。
管材连接还有电熔连接的方式,该方式要求管材的每个接口处都要增加管件,而且管件的成本较高。但电熔连接解决了两个难题:1)环境温度低时施工;2)场地狭小时施工。
4.3 下管
下管是一个非常关键的步骤,下管的深度决定换热量的多少,所以必须保证下管深度,下管的成功与否决定了系统是否能够安装成功。下管过程到目前为止还没有达到机械化、自动化的程度,几乎都采用人工下管,需要的人力比较多,要求扶正、下压、送管等几个分工。下管时,应尽量保持同心度,并且管与管不要紧密接触,以免产生换热器的短路现象。下管常出现的问题及解决办法:钻孔完毕后应及时下管,因为钻孔有大量的沉积泥砂,这就减少了钻孔的有效深度,因此,每钻完一个孔,应及时把U形管放入。在下管过程中,由于孔内壁摩擦力及孔内泥浆的浮力,下管时会遇到很大的阻力,所以下管时,把立埋管路在有压状态下插入到井中;水增加了管材的重量,下管时增加下坠力,同时也便于观察下管过程中是否对管材造成破坏。
4.4 注浆
注浆时,先将膨润土和砂子的比例按1∶3的投放量配比,把膨润土和砂子根据比例加水搅拌在一起打成糊状,用专用泥浆泵打入井中,膨润土和细砂的作用是增强管材与土壤的导热系数。
另外根据不同地质结构,回填亦可采用其他填充料。如钻孔时取出的泥砂浆凝固后收缩很小时,也可用作灌浆材料,如果地埋管换热器设在非常密实或坚硬的岩土体或岩石情况下,宜采用水泥基料灌浆,以防止孔隙水因冻结膨胀损坏膨润土灌浆材料而导致管材被挤压节流。
4.5 铺填黄砂及土方回填
铺填黄砂也是一个很重要的环节,黄砂的铺填也要有一个标准量要求,必须铺盖在管下面200 mm、上面100 mm左右来对管路进行保护和固定。用挖掘机回填土方的时候,要注意的是不可把大的土块和石头过高和过猛地扔到沟里,大的振动可能会给管路造成破坏,所以操作的时候应特别小心,用碎土和没有石块的土铺填沟的底部,用挖掘机轻轻的推入沟里,然后就可以随意的回填了。回填土时一定要保证系统内有一定的气压在里面,在没有气压的情况下可能会被大的石头压瘪压伤,有气压时管路可以起到减振和能承受外部巨大压力的作用,避免使管路被压瘪压伤。
4.6 水压试验
竖直地埋换热器的施工要经过四次水压试验,以确保施工没有问题。第一次水压试验:管的地面保压。立管地面保压的意义就是检测熔接好的U形管是否泄漏,检测供货的质量和管路对高气压的承受力。在试验压力下,稳压至少15 min,稳压后压力降不应大于3%,且无泄漏现象。第二次水压试验:下管完毕与横连管材连接之后,回填之前进行第二次水压试验。在试验压力下,稳压至少30 min,稳压后压力降不应大于3%,无泄漏现象。第三次水压试验:地埋管和机房分集水器连接完成后,回填前应进行第三次水压试验。在试验压力下,稳压至少2 h,无泄漏现象。第四次水压试验:地埋管系统全部安装完毕,进行系统冲洗、排气及回填完成后,进行第四次水压试验。在试验压力下,稳压至少12 h,稳压后压力降不应大于3%。
5 结语
经过近几年的研究与应用,地源热泵系统在我国已经取得了好的开头,尽管还存在着这样或那样的问题,但总的发展趋势是良好的。GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范中有关施工的条款要切实执行,还要加强在实践中总结经验和技巧,使地源热泵真正实现高效、节能、环保的优势。
参考文献
地下换热器 篇3
地源热泵系统(Ground Source Heat Pump System)是一种利用土壤源、地下水源等低品位能源的空调系统,国外对于地源热泵系统的研究起步较早,而且已经有了大量的工程实例和成熟的设计技术,作为一种以可再生能源为冷热源的空调系统,地源热泵系统具有清洁、环保、节能等诸多优势,因此已经广泛的被应用于世界各地。
对于地源热泵系统的研究与应用基本集中在系统中地下埋管换热器的传热研究分析、系统的设计方法、安装技术以及运行工况测试等方面。在地源热泵系统中地下埋管换热器与土壤、地下水等冷热源的换热情况较为复杂,因此对于地下埋管换热器的理论研究和实验研究一直以来都是地源热泵系统研究的重点方向。
随着计算机仿真技术的发展,在仿真的基础上对于地源热泵系统及其组件进行研究已经成了目前非常通用的研究手段,而建立计算准确和高效的地源热泵系统仿真模型,需要对地下埋管换热器的传热机理及模型分析,并提出相应的设计计算方法。同时随着一些利用地下埋管换热器和土壤源等进行换热的新型的地源热泵系统的发展,对于这些新型的系统,如何更好的提高其运行效率也需要对地下埋管换热器的换热性能等方面进行研究,因此对于地下埋管换热器传热模型的研究分析已经成为对地源热泵系统进行研究的热点之一。
1 地下埋管换热器传热模型的分类
地下换热器的传热模型基本可分为:
1)半经验性的设计计算公式,该类模型以热阻概念为基础,根据冷、热负荷估算地下换热器埋管的长度,但是采用计算公式进行计算时,对各项热阻作了较多的简化,使得模型过于简单,与实际情况不相符,产生较大的偏差。
2)以离散化数值计算为基础,用有限元或有限差分法求解地下的温度响应并进行传热分析。
3)基于热阻的概念,求得地下埋管换热器单一传热环节热阻的解析表达式,利用叠加原理处理复杂的多传热环节。对于地下螺旋埋管换热器,多层螺旋埋管的换热情况可先通过单层螺旋埋管传热过程进行分析,并在此基础上采用叠加原理进行分析处理。该类方法物理概念清晰,计算精度优于或相当于数值模拟方法,同时由于利用叠加原理并尽量采用解析解,计算速度比数值解法快,计算量减少,还可通过实验等手段确定解析解模型的相关修正系数,提高模型的计算精度。
2 地下埋管换热器模型的研究现状与发展趋势
在整个地源热泵系统设计和运行阶段,借助计算机仿真来评估系统的能耗、运行情况已经成为较普遍的方法,相关的专业软件如地源热泵设计软件是设计和工程人员重要的设计参考工具。对于模型的仿真模拟而言,需要地下埋管换热器仿真模型具有更好的计算效率和更高的计算精度,从而满足地源热泵系统优化设计的要求。
2.1 地下埋管换热器解析解模型
1)NWWA[1](国家水井协会模型),1986年Hart和Couvillison基于Kelvin(1861年)线源理论的闭合分析解得到了线热源周围土壤温度分布的计算方法。
2)IGSHPA Approach(国际地源热泵协会模型)[2]是北美确定地下埋管换热器尺寸的标准方法。
2.2 地下埋管换热器数值解模型
Eskilson’s Model[3]基于有限长热源的数值解,该模型考虑了钻孔深度对传热的影响,采用了无因次温度响应因子——g-function对传热模型进行近似求解。Eskilson数值传热模型应用于很多科研机构和商业软件中,没有考虑到钻孔中具体的几何配置。
1999年,Yavuzturk[4,5]在Eskilson长时间步长温度响应因子的基础上,发展了能用于短时间换热器换热性能预测的短时间步长(the short time step)温度响应因子g-function。Eskilson模型如式(1)所示,利用该式可以求解出每个时间步长的孔洞平均温度。该模型能够应用于参数估计法,从短时间运行测试数据中发现钻孔热性能,同时能够用于计算短时间步长无因次温度响应因子,以用于地源热泵系统的能耗分析和混合式地源热泵的设计。
其中,t为时间,s;ts为时间尺度;H为孔深,m;k为土壤导热系数,W/(m·℃);Tborehole为孔洞平均温度,℃;Tground为远端土壤温度,℃;Q为单位时间步长传热量,W/m;rb为孔洞半径,m;i为时间步长。
Yavuzturk模型中,求解单步长孔洞换热情况的热响应因子g-function做了些改变,可表示为:
2008年,Louis Lamarche[6]通过修改和改进“g-functions”,建立了一个新的基于短时间步长的模型,该模型适用于解决竖直埋管换热器瞬时响应方面的问题,和Eskilson模型的计算结果相比具有良好的计算精度。
2.3 单井回灌(Standing Column Wells)换热器模型
单井回灌地源热泵系统是一种新型的地源热泵系统,根据ASHRAE Handbook:HVAC Applications(1995年)的分类,单井回灌地源热泵系统为第四大类的地源热泵系统,该系统通过抽取和回灌同一个水井中的地下水进行换热。
美国波士顿某建筑所采用的地源热泵系统[7],在相同的负荷要求下,单井回灌系统所需要的单孔孔洞的深度和孔洞的总深度明显小于单U形埋管换热器,因此单井回灌系统在初投资和工程施工中具有极大的优势。
单井回灌式系统因为牵涉到地下水的径向和纵向传热传质以及地下含水层的复杂性,是一个复杂的三维渗流过程,国内外对此系统传热模型的研究如下:
2007年,刁乃仁,李旻[8]等人在一定的简化条件下,求得了单井回灌地热换热器在承压含水层中的井外渗流的解析解模型,根据此解析解整个渗流场稳态解可从式(3)得到:
其中,S为降深,m;Q为抽水量或回灌量,m2/s;l为井深或承压含水层的厚度,m;Kr为r方向的主渗透系数,m/s;Kz为z方向的主渗透系数,m/s。
3 研究方向及应用前景
目前地源热泵系统的安装以每年10%左右的速度递增,未来对于该系统的研究将更集中于高效率和低投资方面。因为地源热泵系统是一种和土壤进行热量交换的耦合换热过程,受到土壤温度场、冷热负荷、换热器形式等诸多因素的制约,因此发展高效的地下埋管换热器和更为优化的控制策略将是未来研究方向的主流。未来对于地源热泵系统的研究将主要集中在以下几个领域:
1)地源热泵系统仿真模拟的研究。通过仿真模拟技术对地源热泵系统能耗、设计、控制等方面进行分析的手段已经成为对于地源热泵系统进行研究的重要方式之一,而地下埋管换热器(ground-loop heat exchanger)是地源热泵系统的重要组成部分,计算机仿真模拟对于地源热泵系统的设计、安装、调试、故障诊断、系统运行能耗评估等方面将起到越来越重要的作用,它的换热情况是研究所关心的重点,因此对于地源热泵系统的仿真模拟,主要的研究方向集中于地下埋管换热器模型的建立和优化。
2)地源热泵系统控制策略研究。对地源热泵系统而言,如何能够更有效的进行长期稳定的制冷或供热是评判该系统优劣的标准,土壤源热泵系统因为存在建筑物冷热负荷和地下埋管换热器向土壤的排吸热量不均、地下埋管换热器的换热量受到地下水渗流影响等问题,同时空调系统中多种冷热源的综合利用已经非常普遍,因此对于地下埋管换热器系统控制策略的研究显得尤为重要。
3)地下埋管换热器填料的优化研究。对于地下埋管换热器孔洞中填料的优化研究有利于提高地下埋管换热器和土壤之间的换热量,提高系统的效率。
参考文献
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地下换热器 篇4
能源是人类社会生存发展的必要因素,人类社会发展依赖于各种形式的能源。随着经济的快速发展和人民生活水平的大幅提高,能源短缺问题已在各行业中显现出来,并成为全球关注的重大问题。节能也随之成为当今世界的主要研究课题。在此背景下,高效节能的地源热泵技术在我国得到了广泛的研究与应用。
我国南方地区地下水资源十分丰富,在地埋管换热器施工过程中,经常会碰到土壤含水层中存在地下水渗流的情况。地下水流动对地埋管换热器换热有明显的影响,此问题已经引起了研究人员的注意。Eskilson[1]利用移动线热源稳态解析解,讨论了稳态下渗流对地埋管换热器的影响。刁乃仁等[2]采用移动热源理论,得到了有均匀渗流时二维温度响应的解析解。范蕊等[3]通过数学模拟,分析了渗流对地下埋管换热器传热的影响,渗流能增强地下埋管换热器的传热能力。本文将在前人研究工作的基础上,进一步引入多孔介质渗流理论,通过对二维流动传热模型的数值模拟,分析地下水渗流对地埋管换热器周围土壤温度场和传热热阻的影响。
2 数学模型
地埋管换热器的传热过程是一个复杂的、非稳态的过程,该过程所涉及的几何条件和物理条件也都很复杂。为了便于分析,须作必要的简化:将土壤看成各向同性的均匀饱和多孔介质;考虑地下水的二维渗流,忽略垂直方向渗流;同一位置处的流体和固体瞬间达到热平衡;忽略回填材料与钻孔壁的接触热阻;将支管间传热相互影响的垂直U型管等效为一当量直径的单管,等效管不同深度管外壁的温度一致,散热量一致;本文以钻孔壁为界,把研究对象划分为钻孔内部分和钻孔外部分。钻孔内部分,采用一维稳态解析法求解钻孔内相关温度;钻孔外部分,采用数值模拟方法求解其温度场;两部分的结合点在于钻孔壁温度。
2.1 钻孔内传热数学模型
钻孔内的温度场采用一维稳态解析解求解。首先确定等效管的半径re,计算公式[6]如下:
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式中S是形状因子;rb是钻孔外半径,m。
等效钻孔壁平均温度Te计算公式为:
Te=Tw-q1(Rf+Rpe+Rb)
式中Tw为管内流体的平均温度,℃;q1为单位管长的换热量,w/m;Rf为流体至等效管内壁的换热热阻,(m.℃)/W;Rpe为等效管壁的导热热阻,(m.℃)/W;Rb为等效管到钻孔壁的热阻,(m.℃)/W。
2.2 钻孔外传热数学模型
地下水在土壤中渗流为层流流动,本模型连续性方程如下:
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地下水渗流的动量方程:
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y-动量:undefined
式中ρ为地下水密度;φ为土壤孔隙度;Smx和Smy是动量源项;α是渗透性与水容重的乘积;μ是流体黏度。
对于多孔介质流动,本文依旧使用标准能量方程,只是对扩散项和时间导数项做了修改。在多孔介质中,扩散项使用有效传导系数,在时间导数项中则计入固体区域对多孔介质的热惯性效应。在本模型中使用单相流体非等温渗流能量方程[4][5]:
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式中下标s表示土壤,下标f表示流体水;φ为土壤孔隙度,kt为有效传导系数,qt为总内热源强度,αt为总热扩散系数,(ρCp)f为总热容,δ为热容比,S为能量方程源项。
3 单井地埋管换热器的模拟与分析
3.1 模拟参数设置
本文所模拟的单井地埋管物理模型如图1所示。钻孔直径为0.15m,周围土壤区域AB长为6m,BC长为4m。土壤密度为2400kg/m3,比热容为1200j/kg.k,导热系数为 2.4w/k.m,孔隙度为0.3,渗透率为1.49e-10m2。钻孔内情况:钻井流量为1.15m3/h,钻孔内热阻为0.11k/w。初始条件:土壤的初始平均温度为18.5℃;边界条件:钻孔壁为热流边界条件,热流大小等于单位井深换热量77.58w/m;AB、CD边界为绝热边界;BC为出流边界;AD为速度入口边界,速度大小等于地下水渗流速度。
3.2 不同渗流速度下的土壤温度场分析
在有渗流的情况下,地埋管换热器的传热途径有两种:一是多孔介质骨架和孔隙中地下水的导热;二是地下水渗流产生的水平对流换热。图2～7是在夏季空调工况下,换热器连续运行10天后的土壤温度场情况。从图2与图3～7比较中可以看出:无渗流时,土壤温度场基本上是以中心对称的;而有地下水渗流时,土壤温度场在沿地下水渗流方向被明显地拉伸。这是因为存在地下水渗流时,地下水的温度基本等于土壤的原始温度。系统在夏季工况下运行时,不断向钻孔周围的土壤排放热量,使周围土壤温度升高。在上游区域,地下水渗流方向与土壤的温度梯度方向相反,这致使地下水不断吸收土壤中的热量,温度逐渐升高,同时对上游的土壤来起到了冷却的作用。而在钻孔的下游区域,地下水流过钻孔周围的高温土壤吸取了大量热量后,水温逐渐大于土壤的温度。并且下游的渗流方向与土壤的温度梯度方向一致,致使渗流水不断向土壤放热,对下游土壤起到了加热的作用。
从图3～7比较中可以看出:地下水渗流速度越大,土壤温度场在渗流方向上被拉伸的越大,在垂直于渗流方向上被切削的越大。也就是说渗流速度越大,埋管在沿着渗流方向的热作用距离越大,垂直于渗流方向的热作用距离越小。那么井群布置时,在地下水渗流方向上要适当增加钻井间距;而在垂直于地下水渗流方向上,可适当的减小钻井间距,而达到井群优化布置的目的。
3.3 不同渗流速度下的土壤总传热热阻分析
为研究地下水渗流速度对地埋管周围土壤总传热热阻大小的影响。在土壤温度场稳定后,求出不同渗流速度下土壤总传热热阻。土壤总传热热阻采用如下公式计算:
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式中Te为钻孔壁的平均温度,℃;Ts土壤的原始温度,℃;q,单位井深换热量,w/m。
当温度场达到稳定后,采用公式(9)求出不同渗流速度下的土壤热阻阻值。当v=0.1m/d时,土壤热阻值为0.188k/w;当v=0.5m/d时,土壤热阻值为0.101k/w;当v=1m/d时,土壤热阻值为0.073k/w;当v=5m/d时,土壤热阻值为0.032k/w;v=10m/d时,土壤热阻值为0.023k/w。由此可见地下水渗流速度越大,土壤总传热热阻阻值越小,越有利于地埋管的换热。图8是土壤温度场稳定后,不同地下水渗流速度下总传热热阻的变化情况。
4 结论
通过对单井地埋管换热情况的模拟,分析地下水渗流对地埋管换热的影响,得出结论如下:
(1)存在地下水渗流时,地埋管换热器温度场将沿地下水渗流方向被明显地拉伸。井群布置时,在地下水渗流方向上宜适当增加钻井间距;而在垂直于地下水渗流方向上,宜适当减小钻井间距,从而达到井群优化布置的目的。
(2)地下水渗流能减小土壤总传热热阻,有利于提高地埋管的换热效率。地下水渗流速度越大,土壤总传热热阻越小。
参考文献
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