值得一讀！深層地埋管換熱器設計參數影響分析
近日， 西安交大建筑節能研究中心王灃浩教授團隊在國際最具學術影響力期刊“International Journal of Energy Research”（IF：3.009）上發表了一篇關于設計參數對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”。文章分析了主要設計參數對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律，為深層地埋管換熱器的設計優化具有重要意義 [1]。文章的主要內容如下：
同軸套管地埋管換熱器是提取深層地熱能的主要方式，將低溫循環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。為計算分析其換熱過程，利用數值方法將模型離散[2]，離散原理圖如圖1（B）所示。基于此模型，可得到每時刻下的深層地埋管換熱器與周圍巖土的換熱情況。
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程中的出口水溫與換熱量，依據相關文獻報道[3，4]與實際工程的工況選擇，選取9-21℃范圍的入口水溫進行分析（如圖2）。可以看出入口水溫越低，提取的換熱量越大（圖2C），但相應的出口水溫也較低（圖2A）。此外，入口水溫較高時，在埋管的上部會出現向巖土散熱的情況，應注意保溫措施(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 入口流速不僅對深層地埋管換熱器的換熱能力具有重要的影響，也關系著水泵功耗的大小，水泵功耗影響著系統運行的經濟性，故可通過綜合分析取熱量與水泵功耗來選取最佳流速值。通過對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）。從換熱損失方面來看，流速較低時，深層地埋管換熱器存在著較大的換熱損失(圖3B, 3C), 流速從1.1 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，進行內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 本節分析了管徑大小對深層地埋管換熱器換熱性能的影響變化規律，其管徑依據石油套管規格選取如下：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，有利于降低系統的運行費用。在實際應用中，仍需要考慮的是，較大的外管徑會增加系統的初投資，故在選擇管徑規格時應考慮換熱量與系統經濟性之間的關系。 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 內管徑 深層地埋管換熱器不同內管徑下的換熱性能分析如圖5所示。由圖5C，5D可以看出，內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，對深層地熱能進行充分的提取。但值得注意的是，內管徑在減小的同時，水泵功耗不斷增加。在該典型工況下，當內管徑小于90mm時，水泵功耗大幅度地提升，不利于系統的經濟性。故在選擇深層地埋管換熱器的內管徑時，應綜合考慮換熱量與水泵功耗之間的關系，使得取熱量與經濟成本最優。 圖5 不同內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）