U型波纹埋管对于增强土壤源热泵换热性能研究

摘要：为了增强土壤源热泵系统地下埋管换热器的换热性能,通过CFD方法,探讨改用波纹管对地下换 热所产生的影响,首次提出采用波纹管代替光管作为强化地下埋管换热器换热效率。

引言

地下埋管换热器是土壤源热泵系统的核心部分,是增强土壤源热泵系统性能的关键。如何提高地下埋管换热器的换热效率,是地源热泵研究与发展的核心问题之一。国内外学者从各个方面对于这个问题做了大量的研究[1-7]。本文首次提出,通过 改变U型管的管体形状,即用波纹管代替常规的光 管来寻找强化地下埋管换热器的换热性能的新途 径。文中通过创建地下单根U型埋管模型,针对西 安地区的气候与土壤条件,进行了冬、夏两季的换热数值模拟,通过比较光滑管与波纹管在温度场和进、出水温度的区别,提出两种形状U型管的差异、优劣和今后研究方向。

1 U型管外形的提出与建立

传统的地埋管换热研究都是基于光滑U型管, 通过改变U型管不同的布置方式,如垂直或水 平[6];改变U型管的数量,如一孔单管或一孔双 管[5];或是改进回填土的导热性能[7]等,来达到优 化换热的目的。这些方法都从不同方面研究了如何 强化传热,取得了一定的成效。但它们都是从地埋 管外土壤侧进行的研究,而埋管壁和U型管内的流 体的强化传热没有得到充分考虑。根据传热学原 理:影响换热器传热效果的因素主要取决于内外传 热介质的热物理性质、流体介质的流态以及传热界 面的几何因素等[8]。改变U型管壁面形状就是从 后二者入手分析提高换热效率的方法。

波纹管较之于光滑管,既可以增大单位长度的换热面积,又可以增加管内流体的扰动,增强湍流度。建立波纹管外形模型如图1所示。



2.光滑U型管和波纹U型管传热模型的建立及其 CFD模拟

2·1几何模型

模拟对象为埋入土壤内的U型换热管(见图 2)。



图2中的A-A剖面图如图3所示,回填土与U 型管尺寸大小和相对位置如图4、表1所示。

利用Gambit进行网格划分。所有区域利用 TGrid网格进行划分,网格大小:土壤区域为2m;回 填土区域为0·1m;U型埋管为0·015m。划分后的 网格如图5~图8所示。





2·2物理模型及边界条件

在求解前考虑到地埋管换热器与土壤换热的复杂性,减少网格数量和求解的复杂性,进行了必要的假设,假设条件如下:

(1)假设土壤是均匀的,并且在整个传热过程 中土壤的热物性不变;

(2)不考虑土壤中水分迁移的影响;

(3)忽略土壤温度沿深度方向的变