地下U形埋管传热及土壤温度分布研究.pdf

2023 年第 9 期2023 年 9 月能源是人类赖以生存的重要物质基础。但是随着人类社会的飞速发展，能源消耗量与日俱增，导致不可再生能源面临消耗殆尽的危险。目前，以煤炭等不可再生能源为主的能源结构已经对地球环境造成了极大的破坏。因此，为了实现社会的可持续发展，必须转变目前的能源结构，大力发展和使用清洁的可再生能源。地源热泵系统是一种利用浅层地热资源的既可以制冷又可以供热的高效节能热泵系统1。有关研究显示，地源热泵系统在其寿命周期内的成本要比传统暖通空调系统的成本低，经济效益更加明显2。地源热泵系统大体分为三类，分别是土壤源、地下水源和地表水源热泵系统，其中地源热泵系统因具有可再生、节能经济、环保、高效等优点而备受青睐3。本文主要针对 U形埋管入口水温、水流速度以及回填土导热系数对地下U 形埋管传热及土壤温度分布的影响进行研究。1模型分析1.1物理模型地下 U 形埋管换热器的换热过程属于非稳态传热过程，其周围温度场受到诸多因素的影响，换热过程十分复杂。为了简化求解过程，方便数值模拟，在建模前作出以下假设4：1)在数值模拟过程中，流体、土壤的热物性保持不变；2)土壤整体均匀，初始温度保持一致，不受深度的影响；3)忽略地下热湿迁移对埋管换热的影响。模型由三部分组成：U 形埋管、回填土、土壤。由收稿日期：2023-06-29基金项目：广东省自然科学基金面上项目(2022A1515011053)；东莞理工学院 2021 年课程思政示范项目（教务 2022 26 号）第一作者简介：杨小平，1979 年生，男，内蒙古乌兰察布人，博士，副教授，主要从事传热流动方面的研究工作。通信作者：邓国兰，2001 年生，女，广东湛江人，在读本科生，主要从事传热蓄热方面的研究。地下 U 形埋管传热及土壤温度分布研究杨小平1，2，邓国兰1，张境昌2（1.东莞理工学院化学工程与能源技术学院，广东 东莞 523000；2.广东省分布式能源系统重点实验室，广东 东莞 523000）摘要：对地源热泵系统核心组成部分的地下 U 形埋管的传热性能进行了深入研究遥 首先建立了真实的地下 U 形埋管换热器的模型袁 然后对地下 U 形埋管换热器在不同工况下的运行进行了模拟计算遥 重点研究了 U 形埋管入口水温尧 水流速度和回填土导热系数对 U 形埋管传热和土壤温度分布的影响遥 结果表明院 最佳水流速度应为 0.6 耀 0.8 m/s曰 最佳回填土导热系数应比土壤导热系数大袁 且小于土壤导热系数的 2 倍曰 U 形埋管组最佳管间距应保持在 6 m 左右曰 增大入口水温尧 水流速度及回填土导热系数都会使土壤温度有所升高遥关键词：地源热泵曰 U 形埋管换热器曰 数值模拟曰 温度分布中图分类号：TU83文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)09-0020-03Heat Transfer and Soil Temperature Distribution of Underground U-shapedBuried PipesYANG Xiaoping1,2,DENG Guolan1,ZHANG Jingchang2(1.School of Chemical Engineering and Energy Technology,Dongguan University of Technology,Dongguan 523000,Guangdong,China;2.Guangdong Provincial Key Lab of Distributed Energy System,Dongguan 523000,Guangdong,China)Abstract:This paper conducted in-depth research on the heat transfer performance of underground U-shaped buried pipes,which are the core components of ground source heat pump systems.Firstly,a real model of underground U-shaped buried pipeheat exchanger was established,and then simulation calculations were conducted on the operation of the underground U-shapedburied pipe heat exchanger under different operating conditions.The study focused on the effects of inlet water temperature,waterflow velocity,and heat conductivity coefficient of backfill soil on the heat transfer and soil temperature distribution of U-shapedburied pipes.The results indicated that the optimal water flow velocity should be 0.6-0.8 m/s;the optimal heat conductivitycoefficient of backfill soil should be greater than the heat conductivity coefficient of soil and less than twice of the heatconductivity coefficient of soil;the optimal spacing between U-shaped buried pipes should be maintained around 6 m;increasingthe inlet water temperature,water flow velocity and heat conductivity coefficient of the backfill soil will all cause an increase insoil temperature.Key words:ground source heat pump;U-shaped buried pipe heat exchanger;numerical simulation;temperature distribution（总第 216 期）能源产业202023 年第 9 期2023 年 9 月图 3不同入口水温工况下土壤温度分布变化图于该模型属于对称模型，为了简化建模过程，取其一半进行建模。物理模型几何参数如表 1 所示，物理模型示意图如图 1 所示。表 1物理模型几何参数表单位：mmGx水平方向；Gy竖直方向；Gz铅垂线方向。图 1物理模型示意图1.2数学模型流体的运动遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒3 个基本定律。这 3 个守恒定律由相应的方程来表达，具体可参考文献5。流体到管壁的热传导由式(1)描述：q=hf（Tw-Tf），(1)式中：q为热流密度，hf为传热系数，Tw为管壁热力学温度，Tf为流体热力学温度。管壁、回填土和土壤之间的热传导可看作是纯导热6，由式(2)描述：鄣T鄣t=a鄣2T鄣x2+鄣2T鄣y2+鄣2T鄣z2蓸蔀，(2)式中：T为土壤热力学温度；t为时间；a为热扩散系数；x，y，z为坐标。1.3边界条件管内流体定义为 fluid（流体）的连续性边界条件，管壁、回填土和土壤定义为 solid（固体）的连续性边界条件。流体和管壁的接触面、管壁和回填土的接触面以及回填土和土壤的接触面都定义为耦合壁面边界条件，土壤外围及底部定义为恒温壁面边界条件。U 形埋管、回填土及土壤的物性参数如表 2 所示，这些数据来源于文献7。模拟开始前，各个区域的初始温度都保持在 14.43。表 2模型物性参数表2模拟结果及分析2.1入口水温对传热及土壤温度分布的影响为了更好地反映地下 U 形埋管在土壤中的传热情况，这里采用单位井深换热量分析不同因素对地下 U 形埋管传热的影响。单位井深换热量的定义表示为8：qh=cp籽A淄驻Th，(3)式中：qh为单位井深换热量，cp为水的比热容，籽为水的密度，A为管截面积，淄为水流速度，驻T为进出口水热力学温差，h为埋管深度。仅模拟夏季工况下，地源热泵系统连续运行 24 h入口水温对传热及土壤温度分布的影响，水流速度取0.6 m/s，结果如图 2、图 3 所示。参数名称数值管内径26管外径32管脚中心距180竖井半径150土壤半径3 150管深度60 000竖井深度60 050土壤深度63 050GxGyGz名称材料密度/（kg m-3）导热系数/（W m-1 K-1）比热容/（J kg-1 K-1）U 形埋管高密度聚乙烯PE809500.442 300回填土碎石混凝土1 8602.00840土壤粗砂土（含水率 5%耀10%）1 6001.801 645图 2不同入口水温工况下单位井深换热量变化图11010090807060504094.885.777.867.758.749.6262830323436入口水温/益2982962942922902880.51.01.52.02.53.0土壤半径/m入口水温 26 益；入口水温 28 益；入口水温 30 益；入口水温 32 益；入口水温 34 益；入口水温 36 益。杨小平，等：地下 U 形埋管传热及土壤温度分布研究212023 年第 9 期2023 年 9 月由图 2 可看出，随着入口水温的升高，单位井深换热量增大，这是因为水与土壤间的传热温差加大，使得进出口水温差增大。由图 3 可看出，土壤半径越小，越靠近 U 形埋管的位置，土壤温度就越高；入口水温越高，其土壤温度也越高；在该工况下，3 m 半径处土壤温度基本与初始土壤温度保持一致。2.2水流速度对传热及土壤温度分布的影响同样在夏季工况下，入口水温取 30，模拟不同水流速度对传热及土壤温度分布的影响，结果如图 4、图 5 所示。图 4不同水流速度工况下单位井深换热量变化图图 5不同水流速度工况下土壤温度分布变化图由图 4 和图 5 可看出，随着水流速度的加大，单位井深换热量逐渐加大，但当水流速度大于 0.6 m/s 时，单位井深换热量的增大趋势开始变得平缓，由此可得到最佳水流速度应在 0.60.8 m/s；随着土壤半径的增大，土壤温度也逐渐下降，水流速度由 0.2 m/s 增大至 0.6 m/s时，土壤温度有所提高，但水流速度由 0.6 m/s 增大至1.2 m/s 时，土壤的温度基本保持一致，3 m 半径处的土壤温度也与初始土壤温度保持一致。2.3回填土导热系数对传热及土壤温度分布的影响夏季工况下，入口水温取 30，水流速度取 0.6 m/s，其他材料属性和工况保持不变，模拟不同回填土导热系数对传热及土壤温度分布的影响，结果如图 6、图 7所示。根据图 6 和图 7，当回填土导热系数由 1.5 W/（m K）增大到 3.0 W/（m K）时，单位井深换热量也逐渐增大，但当回填土导热系数由 3.0 W/（m K）增大到 4.0 W/（m K）时，单位井深换热量反而减小，这是因为此时的回填土导热系数过大，导致 U 形埋管管脚之间产生了热短路现象9，使得换热介质未能在土壤内充分换热。由此可分析出，回填土的适宜导热系数应比土壤导热系数高，且应在土壤导热系数的 2 倍之内；随着回填土导热系数的增大，土壤温度升高，但在 3 m 半径处土壤温度依旧与土壤初始温度相当。图 6不同导热系数回填土工况下单位井深换热量变化图图 7不同导热系数回填土工况下土壤温度分布变化图3结论1)通过模拟分析 U 形埋管入口水温、水流速度及回填土导热系数对 U 形埋管换热的影响，结合单位井深换热量的变化发现，提高入口水温，能有效增大单位井深换热量，提高换热效率；2)增大水流速度也会使单位井深换热量有所提升，但随着水流速度的增加，单位井深换热量的增大趋势逐渐变缓，认为最佳水流速度应设置为 0.60.8 m/s 以达到较高的效率；3)增大回填土导热系数也同样能增大单位井深换热量，但当导热系数达到一定值时，U 形埋管管脚间会发生热短路现象，严重影响 U 形埋管的换热效率；4)最佳的回填土导热系数应比土壤导热系数高，且小于土壤导热系数的 2 倍。参考文献：1 黄奕沄，陈光明，张玲.地源热泵研究与应用现状 J.制冷空调与电力机械，2003，24(1)：6-10.2 赵风丽，黄子瑜，李峰.关于地源热泵技术发展现状的研究 J.中国住宅设施，2017(1)：127-128.3 JALALUDDIN，MIYARA A.Thermal performance investigationof several types of vertical ground heat exchangers with dif-ferent operation modeJ.Applied thermal engineering，2012(33/34)：167-174.2942932922912902892880.51.01.52.02.53.0土壤半径/m水流速度 0.2 m/s；水流速度 0.4 m/s；水流速度 0.6 m/s；水流速度 0.8 m/s；水流速度 1.0 m/s；水流速度 1.2 m/s。8075706560555055.00.20.40.60.81.01.2水流速度/（m s-1）64.067.769.671.572.0导热系数 1.5 W/（m K）；导热系数 2.0 W/（m K）；导热系数 2.5 W/（m K）；导热系数 3.0 W/（m K）；导热系数 3.5 W/（m K）；导热系数 4.0 W/（m K）。2942932922912902892880.51.01.52.02.53.0土壤半径/m857565554535251.52.02.53.03.54.0回填土导热系数/（W m-1 K-1）62.068.671.775.953.831.2（下转第 224 页）222023 年第 9 期2023 年 9 月4 张永，缪小平，朱正亮.地源热泵垂直埋管周围土壤温度场数值模拟及分析 J.洁净与空调技术，2010(4)：16-19.5 陶文铨.数值传热学 M.2 版.西安：西安交通大学出版社，2001.6 GU Y，O NEAL D L.Development of an equivalent diameterexpression for vertical U-tubes used in ground-coupled heatpumps J.ASHRAE transactions，1998，104(2)：347-355.7 唐志伟，金楠，闫桂兰.地源热泵地中换热器的非稳态传热数值研究 J.可再生能源，2008(1)：55-58.8 成维川，郑飞.竖直单 U 型地埋管传热模拟分析 J.江苏建筑，2018(5)：114-117.9 YAVUZTURK C，SPITLER J D.Field validation of a short timestep model for vertical ground-loop heat exchangers J.ASH-RAE transactions，2001，107(1)：617-625.（编辑：高志凤）（上接第 22 页）3.2.2智能调速的基本方法为了更好地开展工作，在智能调速方面主要使用的是模糊控制策略，经过检测获得信息以后，再进行模糊处理，处理完之后转化为模糊控制量。一个是模糊控制规则，一个是模糊量，紧紧抓住这两个方面，对实现模糊推理和决策有很大的帮助。带式输送机的拉力是很重要的部分，紧紧抓住这一部分，将其了解透彻，可以更好地对输送机运行状况进行判定，有助于智能调速工作的开展。4工程应用分析本文提出的带式输送机智能控制系统应用于输送带式输送机。交叉皮带输送机型号 DTL-1200，输送距离1 000 m，皮带强度 2 500 N/m，额定运行速度 4.8 m/s，电机功率 3400 kW。在系统运行时对带式输送机的运行情况进行收集，具体的结果如图 4 所示。图 4输送机煤流量及运行速度采集结果从图 4 中可以得出以下结论：1)运行速度随着煤流的变化而变化，如果出现煤流变化小的情况，运行速度保持不变。2)在监测期间，由带式输送机输送的单位最大煤量为额定值的 80%。使用智能控制系统以后，带式输送机没有发生煤炭溢流、煤炭堆垛和异常停机。3)处于高速、低速状态下的带式输送机累计的运行时间为 12 min，中速带式输送机的累计运行时间为 96 min。需要注意的地方是，尽量避免让输送带等设备出现磨损的现象，提高输送带的使用寿命。4)输送带的煤流量检测系统将超载输送带的无负荷运行时间从 2 min 缩短到数秒，系统检测到的煤流量值与自卸输送带规模之差为 3%左右。除了检测煤的流动之外，系统还可以检测到顶置输送带的撕裂、偏移等现象，准确率很高，能够更好地提高输送带的运行效率。5结束语为了提高带式输送机的智能控制水平，降低设备能耗，基于视频识别技术和模糊控制技术，相关人员对智能控制系统做了适当的改进。该系统基于视频识别技术获得煤流信息，煤流被分成几个部分，每个部分具有相应的输送速度。光抓住煤的流动信息和输送带的张力信息这两个方面远远不够，还需要抓住模糊控制器输出梯度速度这个方面，以此来控制指令，频率变换器根据速度调整改变输出电流频率，实现输送带的步进速度调整控制。在矿山可以根据煤流量调整输送机的运行速度。当煤的流动稍微变化时，传送带的传送速度不变化，但当煤的流动发生较大变化时，阶段性地调整传送带的传送程度。使用智能控制系统以后，能够大大降低带式输送机的磨损及能耗，有效提高设备运行效率。参考文献：1 马武，霍明明.带式输送机传动滚筒参数化设计及稳定性研究J.煤矿机械，2018，39(9)：23-25.2 梁磊磊.煤矿井下带式输送机的应用及运行问题研究 J.矿业装备，2022(4)：250-252.3 米迎春.煤矿井下带式输送机智能控制系统应用要点探析 J.科学技术创新，2022(4)：53-56.4 宋俊斌.煤矿井下带式输送机智能控制系统研究 J.煤矿现代化，2021，30(2)：184-186.5 闫飞飞.煤矿井下带式输送机安全运行分析 J.科技风，2018(27)：260.（编辑：刘晓芳）3202401608000.51.01.52.0时间/h(a)煤流量0.51.01.52.0时间/h(b)运行速度5432224