不同负荷特性下单U型地埋管换热器换热性能模拟分析

0　引　　言
对于地源热泵空调系统,其原理是将建筑冷、热负荷通过地埋管换热器排放到大地中,因此地埋管换热器的工作性能直接与其承担的负荷特性有关[1]。在不同的建筑负荷特性下地埋管换热器系统能否适应,关系到实际工程中地源热泵方案的可行性。分析不同负荷特性下单U型地埋管换热器换热性能,可为判别地下换热器冷、热负荷的平衡以及能否长期正常运行提供依据。
本文通过对单U型地埋管换热器换热模型的建立,运用Ansys热分析软件,模拟分析了在不同负荷特性下单U型地埋管换热器的换热性能。
1　模型的建立
1·1　物理模型
单U型地埋管换热器在岩土层中的换热是一个通过多层介质的非稳态导热过程,进入U型管的流体首先与管壁进行对流换热,然后热量通过管壁、回填材料、土壤层层传导,最后散失在土壤中。垂直U型管传热在径向的影响比轴向大得多,所以进行二维的传热模拟已经能够解决相应问题[2]。因此,通过在单U型地埋管换热器上截取一微元段dH,在此微元段内假定进水管和出水管内的温度均保持不变,则在此微元段内轴向方向的传热完全相同。此微元段的传热计算可以用一个平面来表示,建立地埋管换热器的二维传热模型,图1所示为二维模型的网格划分示意图,通过二维截面的推移可得到单U型地埋管换热器的准三维模型。

由于地下传热是一个非常复杂的过程,对此模型简化假定[3-4]如下:①忽略土壤中地下水渗流和热湿迁移而引起的热迁移的影响;②地下岩土的热物性均匀一致;③不考虑岩土沿埋管轴向的传热;④忽略埋管与岩土间的接触热阻,即假定边界处没有接触热阻。
1·2　数学模型
管内流体与管壁的传热方程[5]为:

其中,V为流体流速;λ1为流体导热系数;r0为U型管内径;ρf为流体密度;cf为流体比热;Tf为流体温度;Tp为管壁温度。
U型管壁、回填材料、土壤的导热微分方程式[6]为:

2　模拟求解
2·1　模拟求解软件
Ansys软件是融结构、热、流体、电磁、声学多物理场于一体的大型通用有限元分析软件[7],Ansys热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度,并导出其他热物理参数,可以进行稳态和瞬态传热的分析。An-sys热分析包括热传导、热对流及热辐射3种热传递方式,此外还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。
2·2　模拟方法
在二维传热模型的基础上,采用Ansys热分析软件中有限元方法逐层计算各微元段内地埋管换热器的换热过程,在模拟过程中不考虑U型管底部弯管的影响,认为进水支管与出水支管都是有限长直管,2支管底部的流体温度相同。
如图2所示,设定地埋管换热器进出水管的温