地源热泵系统中深层地埋管换热器的传热分析及其应用

摘要

如今全球气候变化、化石燃料消耗和能源安全已经成为人类面临的紧迫的课题，而建筑能耗在社会总能耗占有很大的比重。为了减少建筑行业的能源消耗和排放趋势，需要一个更可持续的建筑环境。实现这些目标是一项挑战，需要加快推进可再生能源的应用，这就要进行创造性的研究，开发创新技术以及相应的新方法和新设备。热泵技术应用在建筑供热以及空调领域可以把一次能源的利用效率大大提高，还可以减少CO2的排放量，减缓温室效应。因此热泵技术属于可再生能源利用的领域。在建筑空调供冷暖的热泵系统中采用了各种不同的环境热源和热汇。环境空气是一个很有吸引力的可以供热泵系统使用的热源和热汇，但是环境空气的特点是夏天高，冬天低，这样必然会降低热泵的COP。空气源热泵在冬季工况下还会产生结霜的问题，将结霜去除不但浪费很多的热量，也会降低供热的品质。从“地源热泵”（GSHP）应用范围来讲，我们通常认为土壤中的温度是基本不变的。在冬天，土壤的温度大大高于冬天室外的空气温度；在夏季，土壤的温度又低于室外空气温度，因此和空气源热泵做比较来说，地源热泵技术的效率提高很多。由于“地埋管地源热泵”（GCHP）系统是依靠循环液在闭式的循环管道（通常是 U型管）中流动，通过管壁与循环管周围岩土体进行热量交换以实现地埋管系统和周围土壤的传热，因此它的适用范围更广、运行的费用也更少，节能效益和环保效益都更加明显。由于该系统不需要地下水，因此具有更好的环境效益，成为重点发展和推广的建筑节能技术。该系统中采用的钻孔深度通常在 40-150m，因此通常称之为浅层地热能技术。 虽然传统的地埋管地源热泵系统具有节能减排的显著优点，但是在它的实际应用也遇到了一些技术上的限制。 这首先是“地埋管换热器”（BHE）需要占用一定的场地设置地埋管，这对于建筑用地通常紧张的中国城镇来说是一个很大的制约，因此希望通过使埋管的长度变大，以减少埋管的占地。其次，浅层地埋管换热器对于系统全年的冷热负荷平衡有比较高的要求，因此限制了它在严寒地区的应用。近年来在我国出现了该系统的一个新的形式，把钻孔的深度加大到1000-3000 m，我们称之为“中深层地埋管换热器”（DBHE）技术。中深层地埋管换热器是地埋管地源热泵系统的一种技术创新，具有占地少和可利用地温高的独特优点，特别适合在寒冷地区应用；但是也存在钻孔的初投资增加的弊病。这种技术首先在我国已有个别工程公司正在进行探索性的尝试，其技术和经济方面的可行性还没有定论； 对于怎样合理设计和运行这样的系统则更需要有深入的研究。 本课题对这种系统形式中的中深层地埋管换热器进行了理论和应用基础的探索，同时开展了地埋管换热器传热的相关的试验和探索； 以此为基础对一个以中深层地埋管换热器为热源的地源热泵供热系统试验项目提供了技术支持以及方案和施工设计。 本课题的研究将对中深层地埋管换热器技术的完善和实际应用起到有益的促进作用。 在研发和应用该技术时对中深层地埋管换热器的传热分析是工程设计与优化以及经济性分析的基础。与浅层地热换热器不同，深孔地热换热器的传热分析必须考虑套管式的循环管形式和地温梯度这两个关键问题。本文在中深层地埋管换热器的传热分析中采用了解析解和数值模拟两条不同的路线，并对计算结果进行了分析研究，对各自的优点和缺点做了对比。 解析解方法遵循浅层竖直地埋管换热器的传统传热分析方法，把整个区域分成钻孔内和钻孔外两部分分别处理。钻孔内部的传热问题首先要考虑套管式埋管的新情况，本课题在考虑内外管流体的温度分布和相互之间传热的条件下，在假定孔壁的温度在整个轴向长度上保持一致的简化假设下，建立内外管与钻孔壁之间的传热模型，并求出在两种不同流动方向（内进外出和外进内出）时内外管内流体的温度分布，进而确定钻孔内有效热阻。这一分析途径的优点是物理概念清楚，计算简明快捷，很好的指明了岩土和循环流体温度响应的定性规律，对浅层套管式钻孔埋管的优化和设计有比较大的使用价值。但是钻孔壁温度均匀的简化假定忽略了地层中的地温梯度这一重要的物理条件，有可能导致中深层地埋管换热器传热分析中较大的模型误差。 对于该课题的传热分析还使用了数值模拟的方法。与解析解的模型相比，数值模拟模型的改进大体包括以下这些方面：考虑由大地热流引起的地温梯度，废除了钻孔壁温度均匀的假定；考虑了钻孔回填材料、管壁材料和管内流体的热容量对传热的影响；可以考虑深度方向岩土层的不均匀性。文献中已有的关于中深层地埋管换热器的数值模拟研究都是基于有限元法（FEM）进行的，其缺点是求解非稳态问题是通常需要非常大的计算工作量，造成计算时间过长。本研究独辟蹊径，根据套管式中深层地埋管的几何特点，独立开发了基于有限差分法的数值计算模型和高效的求解算法。开发的数值解模型的特点主要有： （1） 中深层地埋管换热器中传热过程的特点是岩土中的导热与套管中的流体对流换热的耦合。在本研究的数学模型中抓住该传热模型的主要矛盾，把长套管中的流动和传热简化为一维问题。在保持模型能足够精确地描述这一传热过程的同时，使计算过程大大简化，极大地缩短了数值模型模拟所需的时间。 （2） 中深层地埋管换热器的几何特点是是涉及的空间域呈特别细长的形状，因此不利于用有限元法进行离散化；用有限差分法可以利用区域在轴向的温度梯度很小的特点，适当加大轴向的步长，使节点数大大减少。 （3） 在径向引入了坐标变换，方便地实现了径向的变步长离散化，也使节点数大大减少。 （4） 在处理二维非稳态导热的差分问题时采用了交叉方向法，产生的节点方程组可以用追赶法直接求解，这就在求解的过程中时避免了费时的迭代过程，使数值模拟过程实现高效快捷。 本数学模型和计算方法所做的数值模拟的结果已与文献中采用有限元法的软件计算的结果进行比对，结果高度吻合。与现有的基于有限元法的各种商用软件相比，所开发软件的计算速度有数量级的提升，因此可以胜任中深层地埋管换热器工程设计和优化的计算任务。 中深层地埋管换热器是地源热泵领域以及季节性储热领域的创新性尝试，其技术可靠性和经济可行性都还有待于理论研究和实践的验证。 本课题通过计算模拟深入分析影响中深层地埋管换热器性能的各种因素，得到了一些指导性的结论，可以帮助减少或避免在实际开发中的盲目探索。 这些理论成果最重要的结论包括： （1）对钻孔深度、地温梯度、岩土热物性等关键要素对中深层地埋管换热器的换热量所带来的的影响进行了计算，给出的定量的图表可供工程技术人员直接查阅。 （2）计算证明了套管式地埋管换热器中流体的流动方向（内进外出或外进内出）对换热器的性能有重要影响，在季节性蓄热过程中应根据工况相应改变流体的流动方向；同时指出增加内管壁面的热阻是改进换热器效能的主要途径之一。 （3）计算证明了单个或间隔足够远的多个中深层地埋管换热器的性能在开始阶段的3-5年内略有衰减，其后将保持基本稳定，因此可以作为单纯供热或全年冷热负荷严重不平衡的地源热泵系统的热源。 本课题还设计和建设了大型的地热换热器试验台用来对换热器的传热特性进行实验和研究。该实验台砂箱长度为 21m，高度和宽度为 2.55m，为国内外已知的同类装置中属较大规模的； 采用5台国外先进的数据采集系统，在7个断面4个方向上敷设了252个测温点，实现了全空间高精度温度检测。进行了地埋管地源热泵系统的地热换热器与均质介质整体热交换全过程的研究实验；分析了地下能量的平衡与自恢复能力分析、循环液平均温度误差、热流量误差及土壤的初始温度误差等影响因素。 本研究与实验研究得到的结果与结论，为中深层地埋管换热器的实际应用提供了必要的计算手段和工具，对实际工程合理确定深层套管换热器的设计及其换热量指出了方向。作为技术支撑，该研究的成果已经应用于一个中深层地埋管换热器试验项目的设计和施工，期待工程完成后用实际测试数据进一步验证以上的理论模型和计算。

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