陳金華 高崇 張騰 路立地

1 重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室

2 低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心

0 引言

隨著氣候變暖、能源短缺等問題的逐漸突顯，社會上對于建筑節(jié)能的要求與呼聲越來越高，地源熱泵技術(shù)因其高效節(jié)能的特點愈加受到重視[1]。其中豎直單U 地埋管地源熱泵的形式因為具有節(jié)約用地、運行可靠且適用性較為廣泛的優(yōu)勢，得到了非常廣泛的研究與應(yīng)用。在地埋管地源熱泵系統(tǒng)中，地埋管換熱器扮演著最為重要的角色，其運行情況直接決定了系統(tǒng)運行的可靠性與節(jié)能效果。建立模型對地埋管換熱器進行研究是分析其性能的重要手段，對地埋管地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計及運行起著巨大作用，故建立準(zhǔn)確的換熱模型意義重大。

目前建立的大多數(shù)模型均是將地埋管換熱器周圍的巖土當(dāng)做均一物質(zhì)，整個巖土各部分熱物性質(zhì)相同。而實際情況則是地下巖土由多種地質(zhì)組成，同種地質(zhì)的含水率不同，地下水滲流情況不同，均會使地埋管換熱器的換熱受到影響，地下巖土的熱物性質(zhì)應(yīng)分為多層。

有研究表明將巖土看做均一物質(zhì)將會出現(xiàn)較大誤差：王冠軍[2]通過模擬，得出當(dāng)土壤導(dǎo)熱系數(shù)按照中間向兩邊遞增的變化時換熱效果最好，中間向兩邊遞減設(shè)置時換熱效果最差的結(jié)論。於仲義[3]通過地質(zhì)軸向與豎向分層同樣證明了不同的地質(zhì)組成對地埋管換熱器的能效系數(shù)會造成不同的影響。Abdelaziz[4]與Perego[5]研究表明對具有強異質(zhì)性的土壤采用均勻模型，其結(jié)果存在較大誤差。

針對實際巖土存在的分層現(xiàn)象，一些有關(guān)分層的研究逐漸開展。王澤生[6]根據(jù)巖土體地質(zhì)種類分層的特點，建立了U 型地埋管換熱器分層穩(wěn)態(tài)換熱模型。Li[7]研究了不同地質(zhì)分層且地下水滲流流速不同的巖土對于地埋管換熱器的影響。BniLam[8]使用光譜元素方法對于非均勻多層系統(tǒng)進行分析與求解。

已有研究中，未能有簡單且同時考慮地下水滲流與地質(zhì)分層的模型，有關(guān)模型的建立需準(zhǔn)確的獲得地下的含水率及滲流情況，而實際過程中有關(guān)地下的含水率及滲流速度等有關(guān)參數(shù)難以獲得。筆者提出了一種綜合考慮巖土分層的求解及分層方法[9]，建立了豎直雙U 地埋管換熱器換熱模型，并對其進行了驗證。本文采用該方法，對豎直單U 地埋管換熱器分層換熱模型進行夏季工況檢驗，分析該方法是否可以應(yīng)用于單U 地埋管換熱器的分析。

1 分層換熱模型及驗證實驗

筆者曾提出過一種分層方法[9]，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[10]，充分利用熱響應(yīng)測試與地勘的結(jié)果，對項目巖土熱物性參數(shù)進行了求解，各層熱物性參數(shù)如表1 所示，并在該項目處繼續(xù)建立豎直單 U 地埋管換熱器實驗測試井，對其實際運行參數(shù)測試。測試井的埋深為 100 m，管材為PE 管，外徑為32 mm，壁厚 3 mm，供回水管間距為 75 mm，鉆孔直徑為130 mm，管內(nèi)流體為水。

表1 巖土分層情況及熱物性參數(shù)

本實驗在地埋管進出水處布置溫度測點，并在地埋管不同埋深進出水管管壁上布置溫度測點，具體布置情況如表2 所示。溫度測點均是使用銅-康銅T 型熱電偶，標(biāo)定后精度：±0.5 ℃。數(shù)據(jù)采集使用Agilent-34970A Bench Link。本實驗的流量測試使用TFX10209X1 超聲波流量計，測量范圍為 0～12 m/s，精度為±%1。

表2 單U 地埋管地下管壁測點布置情況

為驗證豎直單 U 地埋管換熱器夏季運行工況的準(zhǔn)確性，在供冷季進行測試，時間為 2012 年 6 月 7 日至2012 年7 月3 日，為期27 天，共計648 h。

根據(jù)埋管的有關(guān)實際尺寸及分層情況建立網(wǎng)格，如圖1 所示，模型尺寸為半徑×高為3 m×100 m。其他有關(guān)熱物性參數(shù)設(shè)置見表3。

圖1 單U 地埋管換熱器分層物理模型示意圖

表3 巖土分層情況及熱物性參數(shù)

將實際運行過程中的地埋管進水流速和溫度作為邊界條件，將出水溫度的模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比。

2 結(jié)果分析

實驗過程中逐時模擬值與實測值如圖 2 所示，實驗過程中，隨著時間的推移，室外溫度逐漸升高，使室內(nèi)冷負荷相應(yīng)增加，因此進水溫度隨著負荷增加也逐漸升高。豎直單U 地埋管出水溫度模擬值與實測值隨時間變化趨勢一致，且?guī)缀踔睾希湎鄬φ`差如圖3 所示，相對誤差范圍在 0～1.48%之間，平均相對誤差為0.67%，模型有較高的計算精度。

圖2 夏季逐時進出水溫度實測模擬對比

圖3 夏季逐時進出水溫度實測模擬相對誤差

進出水溫度的溫差直接決定地埋管換熱器的換熱量，故對其進出水的模擬與實測溫差進行分析。如圖4 所示，模擬進出水溫差與實驗數(shù)據(jù)吻合度較高。溫差的相對誤差如圖5 所示，相對誤差范圍在0.02%～15.99%之間，平均相對誤差僅為7.41%。

圖4 夏季逐時進出水溫差實測模擬對比

圖5 夏季逐時進出水溫差實測模擬相對誤差

對各埋深處管壁溫度進行驗證，由于數(shù)據(jù)量較大，因此僅選取第5、10、20、27 天各埋深模擬溫度與實測溫度的相對誤差進行對比，其結(jié)果如圖6 所示，其中G5 表示供水管 5 m 埋深處的管壁溫度，H 5 表示 5 m埋深處的管壁溫度，其余各位置編號均按照此規(guī)律。由圖6 中可以看出，各個埋深的管壁模擬溫度與實測溫度相對誤差在0.51～1.95%范圍內(nèi)波動，平均相對誤差為1.26%，整體相對誤差較小。

圖6 夏季各埋深管壁溫度模擬與實測相對誤差

3 結(jié)論

通過豎直單 U 地埋管換熱器夏季工況實驗與模擬對比分析，得到以下結(jié)論。

1）夏季工況出水溫度最大相對誤差為 1.48%，平均相對誤差為 0.67%，進出水溫差最大相對誤差為15.99%，平均相對誤差為 7.41%，該分層換熱模型具有較高的準(zhǔn)確性。

2）該模型夏季工況各埋深管壁溫度的實測與模擬的相對誤差均小于 2%，平均相對誤差為 1.26%，進一步證明該模型的準(zhǔn)確性。

3）該分層模型應(yīng)用在單 U 地埋管換熱器具有較高的精確度，為后續(xù)的單U 地埋管換熱器有關(guān)研究與設(shè)計提供了一種依據(jù)與方法。