值得一讀！深層地埋管換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析
近日， 西安交大建筑節(jié)能研究中心王灃浩教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際最具學(xué)術(shù)影響力期刊“International Journal of Energy Research”（IF：3.009）上發(fā)表了一篇關(guān)于設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)深層地埋管換熱器換熱性能影響的文章，題目為“Numerical study on the effects of design parameters on the heat transfer performance of coaxial deep borehole heat exchanger”。文章分析了主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)深層地埋管換熱器的換熱量、取熱效率、水泵功耗以及埋管流體溫度分布的影響變化規(guī)律，為深層地埋管換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要意義 [1]。文章的主要內(nèi)容如下：
同軸套管地埋管換熱器是提取深層地?zé)崮艿闹饕绞?，將低溫循環(huán)流體通入深層地埋管換熱器中，不斷與深層的高溫巖土換熱，以高溫流體的形式將提取的熱量帶至地表，物理模型如圖1（A）所示。為計(jì)算分析其換熱過(guò)程，利用數(shù)值方法將模型離散[2]，離散原理圖如圖1（B）所示?；诖四Ｐ?，可得到每時(shí)刻下的深層地埋管換熱器與周?chē)鷰r土的換熱情況。
2.1 入口水溫
入口水溫的變化影響著深層地埋管換熱器換熱過(guò)程中的出口水溫與換熱量，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[3，4]與實(shí)際工程的工況選擇，選取9-21℃范圍的入口水溫進(jìn)行分析（如圖2）。可以看出入口水溫越低，提取的換熱量越大（圖2C），但相應(yīng)的出口水溫也較低（圖2A）。此外，入口水溫較高時(shí)，在埋管的上部會(huì)出現(xiàn)向巖土散熱的情況，應(yīng)注意保溫措施(圖2B)。
圖2 不同入口水溫下的深層地埋管換熱器換熱性能：（A）埋管溫度分布（B）埋管與巖土換熱情況分布 （C）埋管換熱量(Heat load)，熱損失比例（Heat loss ratio）與熱提取效率(Energy efficiency coefficient) 2.2 入口流速 入口流速不僅對(duì)深層地埋管換熱器的換熱能力具有重要的影響，也關(guān)系著水泵功耗的大小，水泵功耗影響著系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，故可通過(guò)綜合分析取熱量與水泵功耗來(lái)選取最佳流速值。通過(guò)對(duì)入口流速的影響分析，在該典型工況下，0.5m/s 為最佳流速（圖3C, 3D）。從換熱損失方面來(lái)看，流速較低時(shí)，深層地埋管換熱器存在著較大的換熱損失(圖3B, 3C), 流速?gòu)?.1 m/s減小至0.12 m/s,熱損失比例由25.5%增大至63.7%。故其在流速較低的條件下，進(jìn)行內(nèi)管保溫措施將有助于提高其換熱能力。 圖3 不同入口流速下的深層地埋管換熱器換熱性能（A）埋管與巖土換熱情況分布（B）埋管溫度分布（C）埋管換熱量(Heat load)與熱損失比例（Heat loss ratio）（D）熱提取效率(Energy efficiency coefficient)與水泵功耗（Pumping power） 2.3 管徑 本節(jié)分析了管徑大小對(duì)深層地埋管換熱器換熱性能的影響變化規(guī)律，其管徑依據(jù)石油套管規(guī)格選取如下：外管Ф244.5 × 10.3 mm,Ф219.1 × 10.16 mm, Ф193.7 × 8.33 mm,Ф177.8 × 9.19 mm, and Ф168.3 × 8.94 mm，內(nèi)管 Ф125 × 11.4 mm, Ф110 × 10 mm, Ф90 × 8.2 mm,Ф75 × 6.8 mm, Ф63 × 5.8 mm, and Ф50 × 4.6 mm。 2.3.1 外管徑 圖4 分析了深層地埋管換熱器不同外管徑下的換熱性能，可以看出，外管徑的增大可以極大程度地提高換熱量（圖4C）和熱提取效率（圖4D），且水泵功耗也呈下降趨勢(shì)，有利于降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。在實(shí)際應(yīng)用中，仍需要考慮的是，較大的外管徑會(huì)增加系統(tǒng)的初投資，故在選擇管徑規(guī)格時(shí)應(yīng)考慮換熱量與系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系。 圖4 不同外管徑下的深層地埋管換熱器換熱性能（A）埋管溫度分布（B）埋管與巖土換熱情況分布（C）埋管換熱量(Heat load)與熱損失比例（Heat loss ratio）（D）熱提取效率(Energy efficiency coefficient)與水泵功耗（Pumping power） 2.3.2 內(nèi)管徑 深層地埋管換熱器不同內(nèi)管徑下的換熱性能分析如圖5所示。由圖5C，5D可以看出，內(nèi)管徑的減小有助于提高深層地埋管換熱器的取熱能力與熱提取效率，對(duì)深層地?zé)崮苓M(jìn)行充分的提取。但值得注意的是，內(nèi)管徑在減小的同時(shí)，水泵功耗不斷增加。在該典型工況下，當(dāng)內(nèi)管徑小于90mm時(shí)，水泵功耗大幅度地提升，不利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。故在選擇深層地埋管換熱器的內(nèi)管徑時(shí)，應(yīng)綜合考慮換熱量與水泵功耗之間的關(guān)系，使得取熱量與經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)。 圖5 不同內(nèi)管徑下的深層地埋管換熱器換熱性能（A）埋管溫度分布（B）埋管與巖土換熱情況分布（C）埋管換熱量(Heat load)與熱損失比例（Heat loss ratio）（D）熱提取效率(Energy efficiency coefficient)與水泵功耗（Pumping power）