车文昊 白 莉 常文涛 化亚魏

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118)

0 引言

地源热泵是一种通过输入少量的电能，实现从浅层地能(土壤、地下水和地表水等)向高位热能转移的热泵空调系统［1］．它具有节能、高效、绿色环保的特点，而且受地域限制较小，因而它在我国的应用面积越来越大．根据住建部2012年在国务院新闻办公室发布会公布的信息:截至2012年底，我国地源热泵应用面积近24 000万m2［2］．影响地埋管管群传热的因素较多，但最重要的因素有两个，分别为钻孔间距和管群布置形式［3］．从现有的研究状况看，研究热点集中在热渗耦合条件下的地埋管管群管间距及管群的布置方式上，对于非等间距的布管方式则研究较少．本文主要研究在地下水渗流的条件下，非等间距布管对土壤温度及管群热通量的影响．

1 饱和多孔介质数学模型

(1)多孔介质的动量方程． 多孔介质的动量方程具有附加的源项，源项由粘性损失项和内部损失项两部分组成，对于各向同性的均匀多孔介质［4］，其方程为:

式中:a为渗透性;C2为内部阻力因子．

(2)多孔介质的能量方程

式中:φ为多孔介质的多孔性;hf为流体的焓;hs为固体的焓;Shf为流体焓的源项;Shs为固体焓的源项;ksff为多孔区域的有效传导率;kf为流体热传导率;ks为固体热传导率［4］．

2 非等间距热泵布置

图1和图2分别为5m间距布置埋管换热器时有渗流(图1)与无渗流(图2)时地埋管井群的温度分布图．

图1 渗流等间距布置

图2 无渗流等间距布置

从图1可以看出，与图2相比，图1中由于有地下水渗流的影响，使埋管换热器的冷作用半径减小发生形变，在垂直于渗流的方向上换热器的作用范围变小，在沿着渗流的方向上作用范围变大［5］，从而减小了渗流上游方向上的温度传递，增强了下游方向上的温度传递．因此，本文在前人研究的基础上，采用非等间距布井方式，即在垂直于渗流方向减小管间距，在于渗流平行的方向增加管间距，具体布管方式如图3和图4所示．

图3 4．5×5m间距布井

图4 4．5 ×5．556m 间距布井

具体布管方式有两种:一种为非等间距不等面积的布管方式(图3);另一种为非等间距等面积的布管方式(图4)．以5m间距为例，图3为在垂直于渗流的方向上缩短管间距，在于渗流平行的方向上管间距不变;图4为布管面积相同，在垂直于渗流方向上缩短管间距，而在于渗流平行的方向上增大管间距，减小管间的相互干扰，具体布置如图所示．

3 软件介绍及模拟参数设置

(1)软件介绍． 本文模拟分析采用Fluent6．3软件进行．Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件包之一，是一个用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象的软件．该软件基于有限体积法，具有物理模型丰富、数值方法先进以及前后处理功能强大的特点，可用于求解多维空间内的不可压缩流体或可压缩流体、牛顿流体或非牛顿流体、单相或多相流体的稳态或非稳态、层流或湍流、强制流动或自然对流问题，它在工业、建筑、能源等领域都有广泛的应用［6］．

(2)模拟参数设置． 本文中模拟区域的面积分别为24m×39m，27m×30m，27m×33．336m，28．8m×31．248m，30m ×30m，即在垂直于渗流的方向上的管间距分别为4m，4．5m，4．5m，4．8m，5m，在沿着渗流的方向上的管间距为6．25m，5m，5．556m，5．208m，5m，其他条件相同，见表1．

表1 模拟参数设置

4 结果分析

模拟地源热泵空调系统连续供暖6个月后，各种管间距的热通量变化及温度变化如图5，图6所示．由于实验模拟的钻孔数量较多，故采用平均值的方式进行比较分析，热通量平均值及温度平均值均由软件自行求解得出，保证了模拟的准确性．

图5 不同间距热通量变化

图6 不同间距温度变化

稳定后 4 ×6．25，4．5 ×5m，4．5 ×5．556m，4．8 ×5．208，5 ×5m 间距的温度分别为 8．17℃，8．34℃，8．36℃，8．26℃，8．44℃，井壁热通量为 69．19W/m2，63．48W/m2，63．92W/m2，68．66W/m2，62．59W/m2．从数据中可以看出，虽然非等间距布井方式使土壤的平均温度略低于等间距布管，但其热通量却比等间距布管要大，其中以4×6．25m间距布管方式热通量最大，相对于等间距布置热通量升高10．5%，原因是其增加了与渗流方向平行方向两管的管间距，减小了管间的相互影响，增强了扰动，从而增强了换热效果，但该布管方式也使得土壤温度最低．因此，在布置管群时可以考虑非等间距的布管方式，有利于增强管群的换热效果．

5 结论

综上所述，以5m间距为例，采用非等间距不等面积的布管方式虽然管壁热通量的升高幅度与等间距布管方式相比较大，但土壤温度场的平均温度降低幅度最大，不利于系统的长期运行;而采用非等间距等面积的布管方式与等间距的布管方式相比，热通量的升高幅度较大，土壤温度场的平均温度降幅相对较小，若在工程中采用非等间距的布管方式，可以有效减少钻孔的数量，降低成本．

［1］余延顺．太阳能—土壤源热泵系统运行工况的模拟研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2001．

［2］徐 伟．中国地源热泵发展研究报告(2013)［R］．北京:中国建筑工业出版社，2013．

［3］余 斌，王沣浩，颜 亮．钻孔间距和布置形式对地埋管管群传热影响的研究［J］．制冷与空调，2010，10(5):31-34．

［4］王金香，李素芬，尚 妍，东 明，王 正．地下含湿岩上热渗耦合模型及换热埋管周围土壤温度场数值模拟［J］．太阳能学报，2008，29(7):837-841．

［5］石 岩，许天福，王福刚，田海龙，雷宏武．导热与导热一渗流作用下浅层地能热量输运数值模拟［J］．吉林大学学报(地球科学版)，2012，42(2):379-385．

［6］谭志文．双U型地埋管井群换热数值研究［D］．长沙:中南大学，2013．