進口流體溫度對U型地埋管換熱器換熱性能的影響

地源熱泵供暖空調的優勢使其成為近年來世界可再生能源利用及建筑節能領域中增長最快的產業之一[1]。在過去的10年中，大約30個國家的地源熱泵年增長率達到了10%，它的主要優點是利用普通的地溫制冷或供暖，達到節能的目的。目前世界安裝的地源熱泵系統的總容量和產熱量達9500MW和52000TJ/Y（14400WH/YR），實際安裝地源熱泵的數量為100多萬套[2,3]，我國地源熱泵的應用雖然并未排在世界的前列，但是地源熱泵在我國的發展已經進入我國制冷行業發展的快車道。由于地源熱泵系統的關鍵技術集中在地下換熱器傳熱特性以及熱泵系統與埋地換熱器匹配等方面[4]，國內外關于單U型地埋管周圍溫度場的研究做了很多工作，但實際工程的應用僅用單井是遠遠不夠的，為了使地源熱泵系統能在實際工程中廣泛應用，就應該研究整個井群的換熱規律，但現階段人們對井群間相互干擾的研究較少，所以井群間影響規律的研究需要亟待解決[5,6]。

豎排井群中各井的位置關系（如圖1），分析知道井群中存在三類井[7]，即角井，邊井和中井。

單井模型是井群模型的基礎，對單井模型的傳熱過程作如下假設：（1）土壤導熱系數、比熱、密度等熱物性參數不隨深度和溫度變化而變化；（2）忽略系統實際運行過程中由于地下水存在發生換熱現象時可能存在的熱濕遷移；（3）將傳熱過程看作軸中心對稱分布；（4）將系統運行前大地溫度場看作均勻一致。

地源熱泵工作時，埋管換熱器進口水溫隨熱泵運行工況的變化而變化，如夏季運行時，換熱器進口流體溫度較低，而冬季運行時進口流體溫度較高。本模擬過程中，假定換熱器進口流體溫度恒定不變，模擬了進口流體溫度分別為36℃、38℃和40℃三種運行工況下，連續運行90d時，井群換熱器中三類井的進出口溫差隨運行時間的變化關系，模擬結果如圖2所示。

圖2從上到下三組曲線依次是進口流體溫度t1分別為36℃、38℃、40℃時進出口溫差隨運行時間的變化曲線，每一組曲線中從上到下依次是單井進出口溫差Δtd、井群中角井進出口溫差Δtj、邊井進出口溫差Δtb和中井進出口溫差Δtz隨運行時間的變化關系曲線。從圖2可以看出，不同進水溫度工況下角井、邊井、中井和單井的進出口流體溫差值均隨運行時間的延長而逐漸減小。每種工況下各井的進出口溫差值在0-20d內均是相等的，20d以后各井的溫差值開始出現差別，這說明在連續運行20d時間內，井群中角井、邊井和中井的換熱量與單井的相同，井與井之間換熱并未出現相互干擾，而運行20d以后，井群中各井排熱傳到了與其相鄰的另一口井，從而導致井群中各個井換熱量開始出現相互影響；從圖2還可看出，在運行20d后，單井進出口溫差值大于井群中所有井的進出口溫差值，井群中角井流體的進出口溫差大于邊井，邊井大于中井，這與三類井在換熱器中的位置有關，因為井群中與角井緊密相連的有2口井，與邊井緊密相連的有3口井，與中井緊密相連的有4口井，周圍相鄰的井越多，同樣的運行時間內，其周圍的井對其換熱量產生的熱干擾越大，修正系數就越小。進出口流體溫差的變化可能引起換熱量修正系數的變化，圖3、圖4、圖5分別是循環流體進口溫度t1=36℃、38℃、40℃時，角井、邊井和中井的換熱量修正系數kj、kb和kz的值隨運行時間的變化關系曲線。

從圖3、圖4、圖5可以看出，當進口流體溫度t1=36℃時，井群間的相互影響約從第24d開始；進水溫度t1=38℃時，井群間的相互影響約從23d開始；進水溫度t1=40℃時，井群間的相互影響約從21d開始。這說明，不同進水溫度下運行相同的時間，進水水溫越高對各井之間出現熱干擾越早，這是因為管內流體溫度越高，流體與管外土壤的溫差也就越大，傳熱動力也越大，U型管的換熱能力越強，在同樣的土壤物性條件下熱量傳到同一個位置所需的時間越短，井群中各井之間換熱量的相互影響就越快，換熱量修正系數就越小。

從圖3、圖4、圖5還可以看出，當進水溫度為36℃時井群中各井換熱量修正系數值kj、kb、kz要大于進水溫度為38℃和40℃時kj、kb、kz值，這主要是因為進水溫度越低，管內流體與管外土壤間溫差越小，從而削弱了管子與土壤間的傳熱。圖6是熱泵運行到第90d時，三類井單位井深的換熱量修正系數隨著進水溫度的變化曲線，三類井的換熱量修正系數隨進口流體溫度增加逐漸減小。從圖6中可以查出在運行第90d時，進口流體溫度在36℃～40℃范圍內的各井換熱量修正系數。

通過本文的模擬分析，可以得知不同進口溫度下井群中三類井的換熱量修正系數，通過圖3、圖4、圖5可以查得這三種進水溫度下井群中各井的換熱量修正系數，也可以通過擬合曲線得到0-90d內任意時刻36℃～40℃進水溫度的各井換熱量修正系數。根據以上得出的換熱量的修正系數乘以單井單位井深的換熱量就可以得到三類井的換熱量，再根據工程實際中井群中各類井的數量就可以得到整個井群換熱器的換熱量。