引言2014年我国建筑行业的能源消耗量达8.14亿吨标准煤，占据全国能源消费总量的近1/5，建筑行业的能源消耗占比随着人民生活水平的提高还在不断上升[1-2]。地热能作为我国储量丰富的可再生能源，已在建筑节能领域得到大力推广和广泛应用。研究表明，地下水渗流对地埋管换热器的传热过程具有显著影响[3-5]。因此，分析地下水渗流对套管式换热器的影响对地源热泵的发展具有重要意义。文中依据实际工程建立数值计算三维模型，通过商业软件模拟，分析地埋管在不同渗流条件下的进出口温度和换热效率。研究结果对土壤源热泵的优化设计和高效运行提供参考。1地埋管换热器渗流传热模型1.1渗流传热数学模型1.1.1地埋管数学模型为了简化模型，将岩土体视为物性参数符合各向同性的理想多孔介质，并做出以下假设[6]：忽略地表波动的影响[7]；岩土及回填材料热物性在传热过程中一致；忽略各区域之间的接触热阻。假设地下水渗流沿水平方向流动，则地埋管传热方程为[8]：1a∂T∂τ=(∂2T∂2x+∂2T∂2y+∂2T∂2z)-Ua∂T∂x (1)式中：U——当量渗流速度，m/s；T——温度，K；τ——时间，s；a——扩散速度，m2/s。1.1.2多孔介质数学模型在连续性方程中，多孔介质的密度和孔隙率均为定值，不存在源项。连续性方程为：∂u∂x+∂v∂y=0 (2)式中：∂u、∂v——x、y方向速度分量。动量方程为：Si=μavi+C212ρvjvj (3)式中：Si——动量源项；C2——惯性阻力因子；μ——动力黏度，kg/(m·s)；ρ——密度，kg/m³。能量方程为：∂∂tϕρfhf(1-ϕ)ρshs+∂∂x(ρfuihf)=∂∂xi(keff∂T∂xi)-ϕ∂∂xi∑hjJj+ϕDPDt+ϕτik∂ui∂xk+ϕSfh+(1-ϕ)Ssh (4)keff=ϕkf+(1-ϕ)ks (5)式中：hf——流体的焓值，J/kg；hs——固体的焓值，J/kg；φ——岩土孔隙率；keff——介质的有效导热系数，W/(m·K)；Sfh——流体源项，W/m；Ssh——固体源项，W/m；kf——流体介质热传导率，W/(m·K)；ks——固体介质热传导率，W/(m·K)。1.2定解条件初始条件：根据热响应测试结果，将岩土温度设定为290.84 K，其中渗流侧的温度也为290.84 K[9]。边界条件：忽略地表温度的变化，设定其温度为290.84 K。假设模型的尺寸足够大，计算期间模型边界处温度不受影响。根据地埋管换热器的初始地下温度场，设模型径向边界和纵向边界不受地埋管换热器取热的影响。1.3渗流传热物理模型同轴套管式换热器模型[10]如图1所示。模型计算域由流体、内管、外管、回填土和岩土组成。换热时，低温循环水由外管进入套管式换热系统，与周围岩土进行换热，升温后从内管流出，进入热泵机组蒸发器，放热后再次进入地埋管，如此往复循环。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.020.F001图1同轴套管式换热器模型在考虑钻井的岩土热物性参数、岩土温度以及岩土竖向分层的基础上，建立深度为140 m的套管式地埋管的三维全尺寸数值计算模型。地埋管0~100 m处为无渗流的岩土层；100~140 m为有渗流的泥岩层，孔隙率为0.38。埋管入口流体温度278 K，流速0.6m/s。套管式换热器材料的物性参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.020.T001表1套管式换热器材料的物性参数材料密度/(kg/m³)比热容/[J/(kg·K)]导热系数/[W/(m·K)]内管900.02 300.000.350外管8 030.0502.4816.270回填材料2 000.01 000.001.500岩土2 000.01 000.002.500泥岩层2 578.0841.401.834水998.2482.000.6001.4几何模型及Fluent设置1.4.1几何模型的建立套管式换热器的几何模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.020.F002图2套管式换热器的几何模型套管式换热器的埋深为140 m，内管的内径和外径分别为90 mm和110 mm，外管的内径和外径分别为177.04 mm和193.70 mm，回填材料直径260 mm，模拟土壤区域35 m×35 m。利用Ansys mesh软件进行网格划分，模型采用四面体网格，在土壤侧等温度变化大的部分设置边界层，网格数量达1 300 000，分析网格质量为0.78，符合计算要求。1.4.2求解器设置Fluent模拟使用压力求解器，打开能量方程，管内流体选择Standard k-epsilon模型，采用PISO求解器，有3个修正步，即预测、修正和修正，在求解非稳态流动或高扭曲度网格时有明显的优势。Fluent使用自动初始化设定岩土初始温度。2评价参数地埋管换热效率[11]φ为：φ=EE'=Mcp(Tin-Tout)Mcp(Tin-T0)=Tin-ToutTin-T0 (6)式中：Tin——流体进口温度，K；Tout——流体出口温度，K；T0——土壤初始温度，K。地埋管换热器的进出口温差对实际换热效率起着决定性作用。地埋管的进出口温差增大时，实际换热效率升高。地埋管换热器的换热效果达到最优时，换热效率也达到最大值；地埋管换热器的换热效率降低到0时，地埋管换热器无法进行有效的热量交换，换热过程无效。3模拟结果及分析3.1渗流对岩土温度场分布的影响不同渗流速度下的地下温度场如图3所示。无地下水渗流时，钻孔周围土壤的温度波动呈现以地埋管为中心的圆形对称分布。存在渗流时，钻孔周围土壤的温度分布沿着渗流的方向发生偏移。原因是有渗流的情况下，地下水处于流动状态，会带走土壤的部分冷量，从而对土壤温度波动产生影响。渗流速度越快，带走的冷量越多，对土壤温度的影响越大。图3不同渗流速度下的地下温度场10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.020.F3a1（a）U=010.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.020.F3a2（b）U=100 m/a10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.020.F3a3（c）U=200 m/a3.2渗流对地埋管换热器出口温度的影响不同渗流速度下套管式换热器的出口水温变化如图4所示。模拟实验中，假设系统在运行前已经达到热平衡状态，管内流体的初始温度与土壤的初始温度相同。这导致启动初期地埋管换热器的出口温度急剧下降。由图4可知，渗流的存在对系统运行的影响不可忽视。在渗流流速为100 m/a和200 m/a的情况下，地埋管换热器出口温度的下降趋势明显低于无地下水渗流的情况。这是因为渗流的存在增加了土壤中的热量传递效率，从而减缓了出口温度的下降速度。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.020.F004图4不同渗流速度下套管式换热器的出口水温变化存在渗流的情况下，地埋管换热器的出口温度比无渗流时更高。原因主要是水的比热容比土壤大很多，且地下水处于流动状态，促进了换热过程。此外，渗流速度越大，地埋管的出口温度越高。这是因为水的流动性加快了热量传递，提高了换热效率。因此，渗流的存在可以提高换热效率，从而使地埋管换热器的出口温度升高，换热效率与渗流流速呈正相关。3.3渗流对地埋管换热器换热效率的影响不同渗流速度下套管式换热器的换热效率如图5所示。存在渗流时，地埋管的换热效率明显高于无渗流的情况。此外，随着渗流速度的增加，地埋管的换热效率也呈现逐渐升高的趋势。存在渗流时，地下水会通过土壤与地埋管进行热交换，这种热交换方式可以有效地提高地埋管的换热效率。无渗流的情况下，地埋管只能与周围土壤进行热交换，效果相对较差。在实际应用中，需要考虑渗流对地埋管换热效率的影响，并采取相应的措施提高热交换效率。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.020.F005图5不同渗流速度下套管式换热器的换热效率4结语文中研究套管式地埋管换热器在不同渗流条件下的岩土温度场和换热能力，得出以下结论：渗流能够改变岩土的温度场，将地埋管换热产生的冷量带到下游，渗流的作用降低了土壤冷量的集中程度，从而解决了地埋管长期运行导致的土壤冷堆积问题。通过观察出口水温和换热效率发现，渗流能够提高地埋管的出口水温，明显提高地埋管的换热效率。渗流速度越大，影响程度越明显。文中仅研究了渗流速度的影响，考虑到渗流还受到孔隙率、温度等影响，未来还需进一步观察。