趙 軍，張志英，劉九龍，李 揚(yáng)，孫 鐵

（1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津地?zé)峥辈扉_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院綜合地質(zhì)研究所，天津 300250；3. 建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司天津分院，天津 300120）

人工流場(chǎng)影響下地埋管管群換熱的模擬研究

趙 軍1，張志英1，劉九龍2，李 揚(yáng)1，孫 鐵3

（1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津地?zé)峥辈扉_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院綜合地質(zhì)研究所，天津 300250；3. 建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司天津分院，天津 300120）

針對(duì)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的地埋管周?chē)錈崃慷逊e的問(wèn)題，提出了在地埋管管群兩側(cè)加抽水井和回灌井來(lái)產(chǎn)生人工流場(chǎng)，從而強(qiáng)化地埋管管群換熱效果的方法.通過(guò) FEFLOW 軟件模擬了人工流場(chǎng)影響下地埋管的換熱，對(duì)單個(gè)地埋管的換熱進(jìn)行了單因素敏感性分析，模擬了水井?dāng)?shù)量以及流場(chǎng)切換時(shí)間對(duì)地埋管管群換熱效果的影響.結(jié)果表明：在選定工況下，加入人工流場(chǎng)后地埋管的換熱量較無(wú)流場(chǎng)時(shí)均有較大提高，其中單個(gè)地埋管在流場(chǎng)定期切換與不切換情況下的換熱量可較無(wú)流場(chǎng)時(shí)分別提高54.06%,和 69.67%,；設(shè)置有 1組水井、2組水井、3組水井的地埋管管群的平均換熱量與無(wú)人工流場(chǎng)時(shí)相比分別提高了 9.89%,、21.54%,和 33.00%,；人工流場(chǎng)的切換時(shí)間越長(zhǎng)，地埋管管群的換熱效果越好，但隨著切換時(shí)間的增長(zhǎng)，平均換熱量提高的幅度減小.

人工流場(chǎng)；地源熱泵；FEFLOW；地埋管管群；單因素敏感性分析

地源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)存在地埋管周?chē)錈崃慷逊e［1-2］的問(wèn)題，若無(wú)地下水流場(chǎng)存在，堆積的冷熱量難以通過(guò)土壤的導(dǎo)熱傳出去，造成地埋管的換熱能力下降［3］.針對(duì)該問(wèn)題，目前的解決方法主要為間歇運(yùn)行［4-9］，該方法可為土壤溫度的恢復(fù)提供緩沖時(shí)間，但地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行通常需要根據(jù)建筑負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，難以保證土壤溫度恢復(fù)需求與建筑負(fù)荷需求相一致.而若有地下水天然流場(chǎng)存在，冷熱堆積問(wèn)題可得到有效解決，相關(guān)的研究主要為討論不同因素對(duì)地埋管換熱效果的影響，包括地下水流速的影響［10］、地下水流動(dòng)方向的影響［11］、地源熱泵系統(tǒng)操作方式的影響［10］、管群的不同排列方法和管間距的影響［12］等，這些研究為有地下水流動(dòng)存在時(shí)的地埋管管群的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù).

有些地區(qū)（如天津）雖然存在地下水，但是地下水幾乎不流動(dòng)，因此也存在冷熱堆積的問(wèn)題.基于該地質(zhì)條件，筆者提出了在地埋管群的兩側(cè)加入抽水井和回灌井來(lái)產(chǎn)生人工流場(chǎng)，從而強(qiáng)化地埋管群換熱效果的方法.與天然流場(chǎng)相比，人工流場(chǎng)的影響效果由抽水井和灌水井的位置連線的中心線向兩側(cè)依次減弱；通過(guò)改變抽水井和灌水井的水流量，可改變流場(chǎng)的強(qiáng)度；通過(guò)抽水井和回灌井的角色互換，可改變流場(chǎng)的影響效果.通過(guò)FEFLOW軟件對(duì)人工流場(chǎng)下地埋管的換熱進(jìn)行了模擬.

1　模型驗(yàn)證

1.1FEFLOW軟件介紹

FEFLOW由德國(guó) Wasy水資源規(guī)劃系統(tǒng)研究所開(kāi)發(fā)，主要用于對(duì)地下水流與溶質(zhì)運(yùn)移及地?zé)醾鲗?dǎo)過(guò)程［13-15］的模擬.FEFLOW 中的地埋管模型區(qū)別于傳統(tǒng)的模擬模型，其鉆孔內(nèi)為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)解析模型，鉆孔外是基于有限單元法的數(shù)值模型，解析模型與數(shù)值模型相耦合，可避免傳統(tǒng)數(shù)值模擬的尺寸跨度大、網(wǎng)格數(shù)量多、模擬時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題［16］.

1.2模型驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)熱響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬模型進(jìn)行了驗(yàn)證.

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于天津市濱海新區(qū)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的土壤物性參數(shù)見(jiàn)表1，在54，m深度內(nèi)，從地面往下依次為黏土層、粉土層、粉質(zhì)黏土層、粉砂層和粉質(zhì)黏土層，其中從-29.4，m到-48.2，m的粉砂層為含水層，厚度為18.8，m，占總深度的30%，.實(shí)驗(yàn)中的地埋管井的直徑為 110，mm，地埋管為單 U型 HDPE管，深度為54，m，管徑為 32，mm×3，mm，兩支管中心距為50，mm.

表1　土壤物性參數(shù)Tab.1 Soil properties

采用恒溫法進(jìn)行巖土熱響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，地埋管的入口溫度恒定為 35，℃，通過(guò)鉑電阻測(cè)量地埋管的進(jìn)出口溫度，并由數(shù)據(jù)采集儀對(duì)所測(cè)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集.

模擬中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置均與實(shí)驗(yàn)相同.通過(guò)對(duì)初始7,h的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬，得到地埋管的進(jìn)出口溫度值，并與實(shí)驗(yàn)值相比較，見(jiàn)圖1.對(duì)于實(shí)驗(yàn)起始階段中地埋管入口溫度經(jīng)過(guò)加熱達(dá)到 35，℃的過(guò)程，在模擬中通過(guò)自編程序來(lái)實(shí)現(xiàn).經(jīng)計(jì)算，地埋管出口溫度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的平均相對(duì)誤差為0.38%，二者的擬合度為0.998，5，從而驗(yàn)證了FEFLOW中地埋管模型的準(zhǔn)確性.

圖1　地埋管進(jìn)出口溫度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Fig.1　Comparison between the simulation results and experimental results about the inlet and outlet temperatures of buried pipes

2　單個(gè)地埋管換熱的單因素敏感性分析

2.1模型說(shuō)明

在單個(gè)地埋管的兩側(cè)分別設(shè)置一口水井，水井距離地埋管井15，m，其相對(duì)位置見(jiàn)圖2.地埋管及土壤的相關(guān)參數(shù)設(shè)置與第 1.2節(jié)中的熱響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)條件相同，水井的管徑為250，mm，流量為8，m/h.水井的濾水管位于土壤含水層，即表1中的粉砂層.

對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，在水平方向上對(duì)水井節(jié)點(diǎn)、地埋管節(jié)點(diǎn)及溫度、流場(chǎng)變化大的區(qū)域進(jìn)行加密，在垂直方向上，網(wǎng)格劃分間隔均小于 1，m，見(jiàn)圖3.

圖2　水井與地埋管井的相對(duì)位置Fig.2 Relative position of wells and buried pipe

圖3　網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation

水井流量設(shè)置為正值時(shí)代表其為抽水井，負(fù)值時(shí)為回灌井，通過(guò)對(duì)水井流量的不同設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)3種地下水流動(dòng)狀態(tài)，即無(wú)流動(dòng)、流動(dòng)方向定期切換和流動(dòng)方向不切換.

2.2單個(gè)地埋管的換熱模擬

基于上述條件，在無(wú)流場(chǎng)、流場(chǎng)不切換和流場(chǎng)定期（1,d）切換的情況下，分別對(duì)地埋管的換熱進(jìn)行了90,d的模擬計(jì)算，得到各情況下地埋管的平均換熱量隨時(shí)間的變化，見(jiàn)圖4.3種情況下，地埋管的平均換熱量均隨時(shí)間逐漸減小.但在流場(chǎng)定期切換和流場(chǎng)不切換的情況下，因地埋管周?chē)睦錈崃侩S流場(chǎng)的流動(dòng)而遷移，地埋管的平均換熱量較無(wú)流場(chǎng)時(shí)均有較大的提高，分別提高了54.06%，和69.67%，.

圖4　地埋管的平均換熱量隨時(shí)間的變化Fig.4 Time-dependent properties of buried pipe average heat transfer amount

2.3單因素敏感性分析

考慮到人工抽灌地下水可能會(huì)對(duì)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生的潛在沉降影響，以流場(chǎng)定期（1,d）切換作為單因素敏感性分析的基準(zhǔn)，分析了不同因素對(duì)地埋管換熱效果的影響.選取水井流量、地埋管流量、砂層滲透系數(shù)、水井間距和含水層厚度占總深度的比例（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“砂層占比”）等 5個(gè)參數(shù)作為敏感性因素，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)［17-18］確定各因素取值的上下限，見(jiàn)表2.保持其他參數(shù)不變，分別對(duì)敏感性因素取其上下限值，對(duì)地埋管的換熱進(jìn)行了一個(gè)季度90,d（2，160,h）的模擬計(jì)算，計(jì)算得到地埋管的平均換熱量并與基準(zhǔn)取值下的地埋管平均換熱量比較，敏感性分析結(jié)果見(jiàn)圖5，可見(jiàn)滲透系數(shù)對(duì)地埋管的換熱效果影響最大，其次為水井間距、水井流量、地埋管流量和砂層占比.

表2　敏感性因素的取值Tab.2 Values of sensitivity factors

圖5　敏感性分析Fig.5 Diagram of sensitivity analysis

3　地埋管管群的模擬

地埋管管群的布置及計(jì)算區(qū)域如圖6所示，地埋管共6行6列，管間距為4，m，考慮水井影響半徑，取計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)和寬均為88，m.

圖6　地埋管管群的布置及計(jì)算區(qū)域Fig.6　Arrangement and calculation area of buried pipe banks

3.1水井?dāng)?shù)量對(duì)地埋管管群換熱的影響

在地埋管管群的兩側(cè)分別布置1組水井、2組水井和 3組水井，水井位置見(jiàn)圖7，水井和地埋管的相關(guān)參數(shù)設(shè)置與第2.1節(jié)中相同，流場(chǎng)定期切換時(shí)間間隔為 1,d.分別對(duì)不同水井組數(shù)下地埋管管群的換熱進(jìn)行90,d的模擬，計(jì)算得到1組水井、2組水井、3組水井布置下，地埋管管群的總平均換熱量與無(wú)流場(chǎng)時(shí)相比分別提高了 9.89%，、21.54%，和 33.00%，因?yàn)椴煌M數(shù)所產(chǎn)生的人工流場(chǎng)的影響范圍不同，所以，水井?dāng)?shù)量越多，地埋管管群的換熱效果越好.

圖7　1組水井、2組水井、3組水井的水井位置Fig.7 Well locations of one group，two groups and three groups of wells

模擬結(jié)束時(shí)，不同水井組數(shù)下的含水層平面溫度分布見(jiàn)圖8，在無(wú)流場(chǎng)時(shí)，地埋管向土壤傳遞的熱量主要堆積在地埋管周?chē)?；而有流?chǎng)時(shí)，整個(gè)管群區(qū)域的土壤溫度比較均衡，有效減緩了地埋管周?chē)睦錈岫逊e，提高了地埋管的換熱量.若地埋管的設(shè)計(jì)負(fù)荷及管間距相同，則地埋管的設(shè)計(jì)管數(shù)在有人工流場(chǎng)存在時(shí)比無(wú)人工流場(chǎng)時(shí)少，地埋管的布管占地面積也減小.

圖8　含水層土壤的溫度分布Fig.8 Soil temperature distribution of aquifer

圖9為管群中每根地埋管的平均換熱量分布，無(wú)流場(chǎng)時(shí)，管群中每根地埋管的平均換熱量比較均衡；而在有流場(chǎng)時(shí)，因?yàn)樗贾迷诘芈窆芄苋旱膬蓚?cè)，地埋管的平均換熱量在行方向上從外到內(nèi)逐漸減小，且變化較大，在列方向上也是從外到內(nèi)逐漸減小，但變化較小.

圖9　管群中每根地埋管的平均換熱量分布Fig.9 Average heat transfer amount distribution of each buried pipe in the tube banks

3.2流場(chǎng)切換時(shí)間對(duì)地埋管管群換熱的影響

以 2組水井為例，分別對(duì)流場(chǎng)切換時(shí)間間隔為1,d、5,d、9,d和 15,d時(shí)的地埋管管群的換熱進(jìn)行了90,d的模擬，計(jì)算得到地埋管管群的總平均換熱量與無(wú)流場(chǎng)時(shí)相比分別提高了 21.54%，、45.04%，、49.95%，和 52.83%，，見(jiàn)圖10.隨著流場(chǎng)切換時(shí)間間隔的增加，地埋管周?chē)睦錈崃吭诹鲌?chǎng)流動(dòng)方向上的遷移時(shí)間增長(zhǎng)，地埋管的平均換熱效果也越好，但是熱量會(huì)在流場(chǎng)流動(dòng)方向的下游堆積，造成地埋管的平均換熱量的提高幅度逐漸減小.

圖10　地埋管管群的平均換熱量隨流場(chǎng)切換時(shí)間的變化Fig.10　Change of average heat transfer amount of buried pipe banks along with time interval of flow direction switching

4　結(jié)　論

通過(guò)FEFLOW軟件對(duì)人工流場(chǎng)影響下地埋管管群的換熱進(jìn)行了模擬研究.人工流場(chǎng)的存在，使地埋管周?chē)睦錈崃侩S著流場(chǎng)的流動(dòng)而遷移，緩解了地埋管周?chē)睦錈崃慷逊e的問(wèn)題，地埋管的平均換熱量較無(wú)流場(chǎng)時(shí)有較大的提高，若在相同的地埋管的設(shè)計(jì)負(fù)荷和管間距下，地埋管的設(shè)計(jì)數(shù)量會(huì)減少，地埋管的布管占地面積也會(huì)減小，具體結(jié)論如下.

（1） 在流場(chǎng)定期切換與流場(chǎng)不切換運(yùn)行兩種情況下，單個(gè)地埋管的平均換熱量較無(wú)流場(chǎng)時(shí)可分別提高54.06%，和69.67%.

（2） 通過(guò)對(duì)人工流場(chǎng)下單個(gè)地埋管的單因素敏感性分析，得到對(duì)地埋管的換熱影響最大的因素為砂層滲透系數(shù)，其次為水井間距、水井流量、地埋管流量和砂層占比.

（3） 對(duì)地埋管管群的換熱模擬得到管群的平均換熱量隨著水井組數(shù)的增加而提高，在給定情況下，加入1組水井、2組水井和3組水井的地埋管管群的總平均換熱量與無(wú)流場(chǎng)時(shí)相比分別提高了 9.89%，、21.54%，和33.00%，.

（4） 隨著流場(chǎng)切換時(shí)間的增加，地埋管管群的平均換熱效果也增加，但換熱量提高的幅度逐漸減小，在 2組水井下，當(dāng)流場(chǎng)定期切換時(shí)間間隔分別為1,d、5,d、9,d和 15,d時(shí)，地埋管管群的總平均換熱量與無(wú)流場(chǎng)時(shí)相比分別提高了 21.54%，、45.04%，、49.95%，和52.83%，.

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（責(zé)任編輯：田 軍）

Simulation Study on Heat Transfer of Buried Pipe Banks Under the Influence of Artificial Flow Field

Zhao Jun1，Zhang Zhiying1，Liu Jiulong2，Li Yang1，Sun Tie3
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Institute of Comprehensive Geology，Tianjin Geothermal Exploration and Development-Designing Institute，Tianjin 300250，China；3. Tianjin Branch of China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying Company Limited，Tianjin 300120，China）

With the running of ground source heat pumps，the cold or heat accumulates around the buried pipes.As for the problem，a solution that adds pumping well and recharge well on either side of buried pipe banks in order to enhance the heat transfer of buried pipe banks was put forward.FEFLOW software was used to simulate the heat transfer of buried pipe banks under artificial flow condition.Single factor sensitivity analysis for one buried pipe was conducted.For buried pipe banks，numbers and the switching time interval of artificial flow were taken into account.The results show that：with artificial flow，the heat transfer amount always has a larger increase compared with no flow.For single buried pipe，the heat transfer amount improves 54.06%， and 69.67%， respectively in the conditions of flow direction switching periodically and no flow direction switching.In comparison with no flow，the average heat transfer amount of buried pipe banks improves 9.89%，21.54%， and 33.00%， respectively in the conditions of one group of wells，two groups of wells and three groups of wells.The longer the switching time interval of artificial flow，the higher the heat exchange amount，but with the growth of the switching time interval，the growth rate of average heat transfer amount decreases.

artificial flow field；ground source heat pump；FEFLOW；buried pipe banks；single factor sensitivity analysis

TK529

A

0493-2137（2016）08-0835-06

10.11784/tdxbz201503042

2015-03-17；

2015-05-26.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013BAJ09B04）.

趙 軍（1964— ），男，博士，教授.

趙 軍，zhaojun@tju.edu.cn.

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-07-14. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150714.1443.004.html.