热渗耦合作用下地下埋管换热器的传热分析

  摘要　为确定地下水渗流对Ｕ型地下埋管换热器的影响,基于热渗耦合作用下的数学模型,采用整体求解方法求得管内流体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场数值解。分析了地下水渗流对传热过程的影响,结果表明地下水流动对原温度场的影响明显,而且地下水流速越高影响越大。进一步分析了有渗流时不同土壤类型对地下埋管换热器的影响情况,在饱和状态下导热系数是主要的影响因素。
    关键词　地源热泵　地下埋管换热器　热渗耦合　数值分析　温度场
 　 引言
   土壤是固、液、气多孔介质,地下水在其中流动。流体在多孔介质中的流动称为渗流,因此埋地盘管周围土壤传热过程其实是个热渗耦合过程。竖直埋管一般都垂直深埋,所以实际上在其穿透的地层中或多或少地都存在着地下水的渗流,尤其是在沿海地区或地下水丰富的地区甚至有地下水的流动。地下水的渗流或流动有利于地下埋管换热器的传热,也有利于减弱或消除由于地下埋管换热器吸放热不平衡而引起的热量累积效应。对垂直Ｕ型埋管换热器,管段大部分位于地下水位以下的土壤饱和区内,因此地下水流动的影响尤为重要,尤其对于孔隙率较大、渗透系数较高的含水层,作用更为明显。
    目前国内外关于垂直Ｕ型埋管换热器的传热模型都是基于纯导热的模型,虽然很多研究者和工程技术人员认识到地下水渗流可能对地下埋管换热器的传热能力产生重要的影响,也提出过一些定性的分析,但是由于该问题的复杂性,至今很少见到深入的理论分析,现有的地下埋管换热器设计软件中也都没有考虑地下水渗流的影响。但在美国明尼苏达州,曾经出现现场测试的土壤导热系数极度偏高,后经分析是地下水流动引起的[1]。英国的一栋3层办公楼夏季管内流体平均温度测试值只达到3℃,比模拟值低很多,经分析是由于地下水流动使管周围的温度降低而引起的[2]。此外,在现场测试和采用人工地下水流动的模拟实验中也发现了类似的现象[3]。