趙運超 李德飛 金輝 張志豪 費華

1 江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院

2 武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

0 引言

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)（THICS）為空調(diào)系統(tǒng)的研究方向提供了全新的思路，也為降低建筑能耗提供了一種行之有效的技術(shù)方法。在THICS中，溫度控制部分，由于無除濕的要求，所以與空氣進行熱量交換的冷凍水可以采用15～18 ℃的高溫冷水，這就為自然冷源的利用提供了可能。如何充分利用自然界的高溫冷源，是發(fā)揮THICS節(jié)能優(yōu)勢的關(guān)鍵問題[1-4]。在現(xiàn)有的相關(guān)文獻中[5-8]，對于直接利用自然界中的高溫冷源的研究相對較少。

筆者結(jié)合江南地區(qū)水資源豐富的特點，提出一種以江水為高溫冷源的 THICS，并以江南地區(qū)（南昌）為例，對其進行了詳細的方案設(shè)計及理論分析。

1 以江水為冷源的THICS方案設(shè)計

設(shè)計方案如圖1，一定溫度的江水在循環(huán)水泵1的動力作用下進入管路系統(tǒng)，通過過濾裝置3和水處理裝置4達到水質(zhì)要求后送入一定深度的埋管換熱器6中，利用土壤在一定深度下常年保持恒溫的特點，通過熱量交換進一步降低江水溫度，使經(jīng)過熱交換后的江水溫度滿足THISC中所需高溫冷水的溫度要求。高溫冷水在冷凍水泵5的作用下，被輸送至室內(nèi)的末端裝置7，對室內(nèi)進行溫度的控制。換熱后的回水再沿管路經(jīng)埋管換熱器6排至江中，如此循環(huán)工作。

圖1 以江水為冷源的THICS原理圖

2 理論分析

2.1 江水溫度分析

贛江是南昌境內(nèi)最大的河流[9]，其 充足的水源為江水作為THICS的高溫冷源提供了保證。筆者采用數(shù)值分析的方法，運用MATLAB軟件，結(jié)合南昌地區(qū)典型氣象年的相關(guān)數(shù)據(jù)，分析南昌地區(qū)贛江江水溫度的分布規(guī)律，擬合方程[10]見下式：

式中：ts為江水平均溫度，℃；ta為當?shù)乜諝馊掌骄鶞囟?，℃；φ為室外空氣相對濕度?；u為室外風速，m/s。

計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 江水平均溫度分布圖

從圖2可知，南昌地區(qū)江水溫度在空調(diào)季的 5～9月份維持在18.58～22.73 ℃之間，7月為最高22.73 ℃，考慮到江水經(jīng)過過濾器和水處理裝置時可能有1～2 ℃的溫升，所以，江水溫度的分布范圍與 THICS 所要求的高溫冷水（15～18 ℃）的溫度相比，還有一定的差距，為了解決這個問題，擬將江水與土壤相結(jié)合，利用土壤常年恒溫的特點進一步對江水進行降溫，從而達到使用要求。

2.2 土壤溫度分析

根據(jù)傳熱學(xué)理論，地殼被認為是一個半無限大的物體。它的溫度場受周期性溫度波作用，在不同深度、不同時刻下的土壤溫度場的理論計算模型[11-12]為：

式中：x為地表向下算起的土壤深度，m；τ為計算時刻，s；tm為地表月平均溫度，取 18.2 ℃；a為土壤熱擴散系數(shù)，取 9.2×10-7m2/s；Aw為地表溫度波動的振幅，取±12.2 ℃；T為地表溫度的變化周期，取 8760 h。

根據(jù)式（2），利用MATLAB可計算出土壤溫度隨時間、深度的變化，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 土壤溫度隨時間、深度的變化規(guī)律圖

從圖3可以看出，隨著土壤深度的增加，溫度波的振幅逐漸減小，地層溫度地下5 m左右趨于穩(wěn)定，基本上穩(wěn)定在17.5℃左右。同時還可以看出，溫度波的峰值也隨著地層深度的變化而延遲。所以，水源與土壤源相結(jié)合的換熱方式，理論上可以滿足THICS對冷凍水溫度的要求。

3 傳熱分析

3.1 物理、數(shù)學(xué)模型的建立

地下埋管是一種利用地下土壤中的熱量進行換熱循環(huán)的換熱器。筆 者利用GAMBIT軟件建立水平埋管傳熱的物理模型（如圖4所示），該模型主要由土壤，水平埋管和管內(nèi)流體組成，其中水平埋管長 10m，周圍土壤幾何尺寸4 m×4 m×10 m。

圖4 物理模型

埋管換熱器與土壤的傳熱過程是一個復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程[13-15]，具體由4個過程組成：管內(nèi)對流過程，管壁的導(dǎo)熱過程，管壁與土壤的傳熱過程，土壤的導(dǎo)熱過程（如圖5所示）。

圖5 傳熱過程圖

所以，埋管換熱器與土壤之間非穩(wěn)態(tài)傳熱過程的數(shù)學(xué)控制方程為：

式中：h為管內(nèi)流體對流換熱系數(shù)，W/(m·℃)；Tf、Tb、T1、Ts分別為流體溫度、管內(nèi)壁溫度、管外壁溫度和土壤溫度，℃；λ1、λs分別為管壁導(dǎo)熱系數(shù)和土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；r1、r2分別為管內(nèi)半徑和管外半徑，m 。

在進行計算時對上述數(shù)學(xué)模型作如下假設(shè)：

①假設(shè)流體、埋 管換熱器及土壤的熱物性參數(shù)為常物性參數(shù)。

②假設(shè)水平埋管內(nèi)同一截面處流體的溫度和流速均勻一致。

③假設(shè)同一水平面上的土壤初始溫度相同。

④忽略熱濕遷移所造成的影響。

⑤埋管敷設(shè)在土壤恒溫層。

⑥忽略土壤和水平埋管外管壁之間的接觸熱阻。

⑦假設(shè)水平埋管與土壤的換熱影響半徑為2 m，即2 m外土壤溫度不發(fā)生變化。

3.2 建模及網(wǎng)格劃分

由于求解的管內(nèi)流體是不可壓縮流體，且其流速不大，選取隱式求解器，其流動狀態(tài)為紊流，選取標準k-epsilon紊流模型[16]。先定義管內(nèi)流體的介質(zhì)類型為“FLUID”，并命名為“fluid”。然后定義埋管換熱器和土壤的介質(zhì)類型為“SOLID”。水平埋管進口“inlet”定義為VELOCITY_INLET，隨后在FLUENT 中給定進口流速和水溫的邊界條件。出口“outlet”為充分發(fā)展流動，定義為OUTFLOW邊界條件。埋管換熱器壁面和土壤壁面均定義為WALL。

圖6 進出口截面與管壁面劃分效果

在GAMBIT 中進行網(wǎng)格的劃分相當于對控制方程進行離散化，然后求解離散方程組。單擊操作面板上的“mesh”工具箱，對上述物理模型的埋管和土壤區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。圖6為進出口截面和管壁網(wǎng)格劃分效果圖。圖7為土壤水平面，采用三角形的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。圖8為水平埋管整體網(wǎng)格劃分效果。模型的總網(wǎng)格數(shù)為830771個。

圖7 土壤水平面網(wǎng)格劃分

圖8 水平埋管整體網(wǎng)格劃分效果

4 模擬結(jié)果

結(jié)合南昌地區(qū)贛江水源及土壤的實際情況，模擬在實際條件下，江水經(jīng)過土壤換熱器后水溫的變化情況，考察出口水溫是否滿足THICS對高溫冷源溫度的使用要求。南昌地區(qū)的土壤以砂巖為主，埋管材料選取高密度聚乙烯管（PE管），入口水溫為23 ℃，取流速0.5 m/s，其他材料物性參數(shù)見表1。

表1 材料物性參數(shù)表

圖9為在t=3600s 時，即在系統(tǒng)運行 1h后，模擬水平埋管出口水溫的計算過程中的各項殘差值，從圖中可以看出計算過程中各項殘差值一直很穩(wěn)定，且保持在較低的數(shù)值，說明了計算結(jié)果可靠性。

圖9 水平埋管出口水溫模擬計算殘差圖

圖10和11分別為江水進入水平埋管入口和出口處水溫的變化情況。從圖中可以看出：當管道足夠長，換熱充分后，管內(nèi)流體在出口處的溫度將會達到與土壤溫度 290.65K一致，即17.5℃，整個過程降低5.5℃，基本上可以滿足溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中對高溫冷源溫度的使用要求，因此，本文提出的方案在江南地區(qū)實施使用是可行的。

圖10 水平埋管入口處水溫云圖

圖11 水平埋管出口處水溫云圖

5 影響因素分析

江水與土壤的換熱通過水平埋管來完成，水平埋管換熱器將大地作為冷源，所以系統(tǒng)熱交換的效率由管內(nèi)流體的流速、管材的導(dǎo)熱系數(shù)和土壤的導(dǎo)熱系數(shù)三者統(tǒng)統(tǒng)決定。本文利用上述模型，分別模擬以上三個因素對地下埋管換熱性能的影響并進行理論分析。

5.1 管內(nèi)流速大小對水平埋管換熱性能的影響

根據(jù)文獻[17]，埋管換熱器內(nèi)流體流速的要求為不低于0.2m/s，若流速過大，將會導(dǎo)致管內(nèi)流體在流動過程中阻力增大，最終增加泵的能耗。反之，若流速過小，又不利于充分換熱。故在入口水溫為23℃的工況下，流速分別取 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1.0、1.2 m/s，分析水平埋管單位管長換熱量的大小，模擬結(jié)果詳見圖12。

圖12 不同流速下水平埋管單位管長換熱量

從圖12中可以看出：在換熱器入口水溫一定的情況下，隨著入口流速的增大，單位管長換熱量逐漸增加，這是因為在換熱器斷面積不變時，流速的增加會增大管內(nèi)對流換熱系數(shù)，有利于管內(nèi)流體與周圍土壤之間的熱量交換。隨著流速的增加，管路系統(tǒng)阻力也會增大，從而導(dǎo)致泵的能耗增加。另外，當流速增大到一定時，單位管長換熱量的增量也會變小，地下埋管換熱增量不明顯。所以，在綜合考慮單位管長換熱量大小以及系統(tǒng)的能耗情況，筆者認為水平埋管內(nèi)流速取0.5～0.8 m/s比較適宜。

5.2 管材導(dǎo)熱系數(shù)對水平埋管換熱性能的影響

筆者選取不同管材進行模擬，其 導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.3，0.45，0.9，1.5和2.0 W/(m·℃)，在入口水溫23℃，流速0.5 m/s的工況下，模 擬不同管材的導(dǎo)熱系數(shù)對水平埋管單位管長換熱量的影響，具體的模擬結(jié)果詳見圖13。

圖13 單位管長換熱量隨管材導(dǎo)熱系數(shù)變化圖

從圖 13 可以看出，當管材的導(dǎo)熱系數(shù)從 0.3 W/(m·℃)變化到 2.0 W/(m·℃)時，單位管長換熱量的改變僅僅是1.1 W/m，所以，水平埋管的管材導(dǎo)熱系數(shù)對埋管的換熱量影響是很小的。雖然說水平埋管是流體與土壤發(fā)生熱交換的中間介質(zhì)，但是由于埋管管壁的厚度僅為1 mm，導(dǎo)致管壁的導(dǎo)熱熱阻在換熱過程產(chǎn)生的影響非常小。如果在實際工程中一味地追求高導(dǎo)熱系數(shù)的水平埋管，并不能獲得很好的增強埋管的傳熱性能。

5.3 土壤導(dǎo)熱系數(shù)對水平埋管換熱性能的影響

分別選取不同地區(qū)的土壤，其導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.9、2.0 和 3.55W/(m·℃)，在入口水溫23 ℃，流速0.5 m/s，水平埋管管材導(dǎo)熱系數(shù)取0.45 W/(m·℃)的工況下，模擬不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)對水平埋管單位管長換熱量的影響，模擬結(jié)果見圖14。

圖14 單位管長換熱量隨土壤導(dǎo)熱系數(shù)變化圖

圖14可以看出，隨著土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增加，單位管長換熱量越大，基本上是成線性增加的。這是因為土壤導(dǎo)熱系數(shù)越高，水平埋管與土壤的換熱更加充分，換熱效率也更高。在土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.9W/(m·℃)時，單位管長換熱量為60.31 W/m，而在導(dǎo)熱系數(shù)為3.55 W/(m·℃)時，換熱量為84.6 W/m，增長了 24.29 W/m，這意味著對于同樣的管材，在導(dǎo)熱系數(shù)高的土壤中可以縮短埋管的長度，從而節(jié)省埋管敷設(shè)費用，即可以減少系統(tǒng)的初投資。

6 結(jié)論

筆者提出一種以江水為高溫冷源的溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計方案，以南昌地區(qū)為例分析了該方案實施所需的江水和土壤溫度的分布情況，并通過理論分析和數(shù)值模擬的方法研究了不同因素對土壤埋管換熱量的影響，得到以下結(jié)論：

1）通過對南昌地區(qū)贛江水溫和土壤溫度分布的計算分析，認為單一水源難以滿足 THICS 對水溫的要求，因此提出了水源+土壤源的換熱方式用來完善本方案。

2）運用數(shù)值模擬的方法，建立了水平埋管的物理模型和數(shù)學(xué)模型，通過模擬分析得出在換熱器入口水溫一定時，隨著管內(nèi)流速的增大，單位管長換熱量逐漸增加，考慮系統(tǒng)能耗后認為水流速取 0.5～0.8 m/s比較適宜。管材導(dǎo)熱系數(shù)對單位管長換熱量的影響較小。土壤的導(dǎo)熱系數(shù)對單位管長換熱量增加非常明顯。另外，埋管在換熱的過程中會使得臨近的土壤有一定的溫升，但溫升量較小，對換熱的影響較小。

3）針對南昌地區(qū)贛江水溫及土壤的實際情況進行熱量交換的數(shù)值模擬，得到管內(nèi)流體在出口處的溫度約為即 17.5 ℃，基本上可以滿足 THICS 對冷源溫度的使用要求，驗證該方案在江南地區(qū)實施可行性。