374#同轴深井套管式地源热泵（地埋管）换热仿真实践案例

它以地下岩土恒温热源实现冬采暖、夏制冷，能效高、运行噪音与运维成本更低，可循环利用地热资源。地埋管分水平、垂直两类，水平管占地大，现已少用；主流为 U 型竖直埋管。城区用地紧张、建筑负荷大时，可加深井深采用同轴套管式地埋管，占地少、承压与供热能力更强。但深井套管系统造价偏高，管路、地质条件都会影响换热效果，数值仿真可提前测算性能、优化设计。

图1 同轴深井套管式地源热泵（地埋管）示意图

地埋管由内而外的传热过程十分复杂， 埋管的传热能力受到当地地质条件、埋管竖向深度、埋管形式、以及地下含水率等诸多因素的影响，为方便分析出套管式换热器传热过程的分析求解，我们对分析模型做如下的简化假设：

(1)认为回填料、周边岩土的热物性均匀一致，其热物性参数不随径向和竖向尺寸的变化而变化；

(2)认为在竖直方向上不存在导热现象，即传热是一个沿着埋管径向的一个二维传热问题；

(3)认为地埋管内部流体的温度均匀，不考虑套管式换热器内套管内外流体的热量回流问题；

(4)认为各接触面之间不存在接触热阻，即认为材料与材料之间不存在接触间隙。

根据以上的简化与假设，其传热的原始模型和简化模型分别如下图2和3所示。

图2 套管式换热器传热模型图

图3 套管式换热器传热简化模型图

图中所有尺寸均为套管式换热器尺寸， 其中：

r1——内套管内壁半径；

r2——内套管外壁半径；

r3——外套管内壁半径；

r4——外套管外壁半径；

r5——钻孔内壁半径；

r6——岩土计算边界。

某同轴深井地源井打井下管深度300米(自地平面始)，地下原始平均地温为21.3度，夏季每延米释热量46.88W/m，单井释热量14kW,冬季57.76W/m，单井取热量17.33kW。冬季90天，夏季120天。

孔径 140mm，井深 300m，外套管选用 108×3 钢管，内套管管选用 40的 PE 管，回填材料使用细黄沙回填。模型中考虑管壁厚度，外围土壤取圆形，半径5m。管材为PE材质，密度1200，比热1710，导热系数0.42。相关物性参数参数见以下两个表：

由于地源侧提供的冷量偏小，为保证使用效果，首个运行期从冬天开始。

冬季工况：根据热负荷4200KW和供回水温度45/40（水的比热4.2*10^3焦/千克·摄氏度），流量为：

Q=4200*10^3/（45-40）/（4.2*10^3）=200kg/s

夏季工况：夏季冷负荷7100kW和供回水温度7/12，流量为：

Q=7100*10^3/（12-7）/（4.2*10^3）=338kg/s

网格情况：因模型对称，且边界条件对称，为减少计算量，可取一半作仿真分析。使用ICEM生成六面体网格。

[1]谢宗标. 同轴深井套管式地埋管换热器岩土热物性实验分析研究[D]. 合肥:安徽建筑大学,2017.

[2]鲍玲玲,徐豹,王子勇,等. 中深层同轴套管式地埋管换热器传热性能分析[J]. 地球物理学进展,2020,35(4):1217-1222.

在FLUENT材料库中复 制出流体介质水（water-liquid），默认参数即可。

分别定义huitian（钻井回填材料）、pe（内套管材料）和sad（土壤）材料，并复 制出FLUENT材料库中的steel（外套管材料）。回填土等材料定义的时候，简单操作的话，可以直接随意复 制几个固体材料，再修改参数即可。

定义流体域的流体介质为水（默认是空气）。

给不同的固体域分别定义材质：钻井回填材料为huitian、内套管材料为pe、土壤材料为sad、外套管材料为steel。

在Boundary conditions里面分别定义不同的边界条件：入口、出口及壁面边界。

定义入口的流量和温度（冬季、夏季流量和温度分别为0.346kg/s、 5℃和0.260kg/s、35℃；）。

定义出口条件和回流温度（冬季/夏季回流温度为10℃/30℃；）。

定义底面边界（温度）为定温21.3℃，即地下原始平均地温。

定义外围边界（温度）为定温21.3℃（地下原始平均地温）。

定义顶面边界（温度）为绝热，忽略与地面空气的换热。

残差曲线

不同半径(4种半径分别为0.7m、1m、2m、3m，监测点高度为模型总高的一半)土壤温度逐时变化。

这个图可将原始数据导出后，用其它后处理软件处理会比较漂亮。此处分别为FLUENT原图（美观性欠佳）和TECPLOT处理后的图（美观）。离中心近响应快。

出口温度变化曲线

以下为FLUENT原图。

冬季温度分布云图

夏季温度分布云图