侯靜

摘要：本文通過FLUENT模擬地源熱泵長(zhǎng)期運(yùn)行不同回填材料對(duì)地源熱泵埋管換熱性能的影響。

關(guān)鍵字 地埋管 回填材料 土壤溫度場(chǎng) 換熱

地源熱泵系統(tǒng)可以按制冷工況和供熱工況運(yùn)行。夏天制冷工況下，空調(diào)房間的冷負(fù)荷與壓縮機(jī)所耗功轉(zhuǎn)化為熱量排入地下土壤中。一般很少采用將冷凝器盤管直接埋入地下的做法，通常通過中間介質(zhì)（如水）的循環(huán)，達(dá)到熱量轉(zhuǎn)移的目的。地下埋管換熱器與冷凝器連接換熱，埋管連成一個(gè)封閉的回路，水泵提供動(dòng)力，水在回路中循環(huán)，循環(huán)管路在冷凝器中吸收制冷劑的熱量，通過地下埋管換熱器傳給土壤。在供熱工況下，轉(zhuǎn)動(dòng)四通閥，與埋管換熱器換熱的冷凝器變成熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器，埋管換熱器里的循環(huán)水吸收土壤的熱量，流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)把熱量釋放給制冷劑。

1 模型的物性參數(shù)

模擬的一個(gè)重要前提條件是設(shè)置物體的物性參數(shù)。影響換熱的物性參數(shù)主要包括密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)。土壤是地源熱泵的冷熱源，土壤的熱物性參數(shù)很大程度上影響著地源熱泵系統(tǒng)的換熱效果。根據(jù)資料給出表1典型土壤材質(zhì)的熱物性參數(shù)。

地源熱泵模型除了設(shè)置土壤的物性參數(shù)，還需設(shè)置管材、回填材料和水的物性參數(shù)，本文模型中管材為高密度聚乙烯管，回填材料為20%膨潤(rùn)土加80%SiO2沙子，土壤為某地多種土壤材質(zhì)的加權(quán)平均值[53]。模型物性參數(shù)如表2所示。

2? 非穩(wěn)態(tài)模擬

本文研究不同導(dǎo)熱系數(shù)的回填材料對(duì)埋管換熱性能的影響。建立埋深均為100m，埋管入口流速均為0.4m/s，兩管腳間距均為80mm的單U垂直埋管模型。改變填充層導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.2W/（m·K）、1.7W/（m·K）、2.2W/（m·K）、2.7W/（m·K）、3.2W/（m·K）、3.7W/（m·K）時(shí)，以0.5W/（m·K）的等間距之差，研究埋管換熱器出口溫度、進(jìn)出口溫差和單位井深換熱量的變化。

圖1到圖3是改變填充材料的導(dǎo)熱系數(shù)得到的前2小時(shí)、2小時(shí)到1天和1天到10天埋管出口溫度變化曲線。

從圖1可以看出，由于只改變填充材料物性，其他條件不變化，運(yùn)行初期出口溫度基本相等，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，埋管周圍填充層導(dǎo)熱速度快慢不同，出口溫度就有了變化。在前兩個(gè)小時(shí)不同導(dǎo)熱材料的埋管出口溫度差值原來越大。

從圖2可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行2小時(shí)到1天，不同填充材料埋管出口溫度相差漸漸變小，說明填充層對(duì)熱泵運(yùn)行初期影響比較大，隨運(yùn)行時(shí)間影響逐漸減小。

從圖3可以看出，熱泵運(yùn)行2天后，埋管出口溫度慢慢趨于穩(wěn)定。當(dāng)熱泵運(yùn)行穩(wěn)定后，埋管出口溫度隨填充材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加而降低。導(dǎo)熱系數(shù)越大，出口溫度變化越不明顯。

圖10可以看出，換熱量隨填充層導(dǎo)熱系數(shù)的增加而增加，斜率為正值，但隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，斜率減小，說明導(dǎo)熱系數(shù)增加到一定程度，對(duì)換熱量的影響減小，并且趨于不變。

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