地埋管換熱器簡(jiǎn)化分層數(shù)值模型及應(yīng)用.pdf

1、地源熱泵系統(tǒng)由于環(huán)保節(jié)能的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)被廣泛使用，其關(guān)鍵部分是地埋管換熱器。系統(tǒng)通過(guò)地埋管換熱器與土壤間實(shí)現(xiàn)換熱，夏季制冷將熱負(fù)荷排向土壤，冬季供熱從土壤吸收熱量。由于地埋管初投資較大，合理地設(shè)計(jì)地埋管尺寸尤為重要，可以減少經(jīng)濟(jì)投入。建立計(jì)算模型分析地埋管地下傳熱，對(duì)換熱器設(shè)計(jì)與運(yùn)行十分關(guān)鍵。傳統(tǒng)計(jì)算模型中一般將土壤當(dāng)作均質(zhì)處理。近些年，越來(lái)越多的相關(guān)科研人員關(guān)注淺層土壤結(jié)構(gòu)的分層情況，建立合理的分層模型是研究地埋管換熱器的一個(gè)重

2、要方向。目前，分層模型沒(méi)有精確的解析解，大多采用三維分層數(shù)值模型。由于三維分層數(shù)值模型建模復(fù)雜、不易變動(dòng)、網(wǎng)格多及計(jì)算耗時(shí)等特點(diǎn)，并不適合工程應(yīng)用和傳熱優(yōu)化分析，建立簡(jiǎn)化的分層數(shù)值模型則顯得比較重要。
　　本文針對(duì)垂直U型埋管，考慮垂直方向的土壤分層情況，建立了二維分層數(shù)值模型，并且用實(shí)際數(shù)據(jù)和三維分層數(shù)值模型驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。之后以精確的三維分層數(shù)值模型作為對(duì)比對(duì)象，探討了二維分層數(shù)值模型在土壤不同分層數(shù)量和分層厚度不均勻情

3、況下的準(zhǔn)確性，結(jié)果顯示兩者對(duì)二維分層數(shù)值模型準(zhǔn)確性影響較小，在不同分層情況下，二維分層數(shù)值模型都可以替代三維分層數(shù)值模型。采用二維分層數(shù)值模型，對(duì)比了傳統(tǒng)的均質(zhì)模型和土壤分層模型下傳熱計(jì)算結(jié)果的差異，結(jié)果顯示分層土壤結(jié)構(gòu)的鉆孔壁溫度與熱流具有明顯分層特性，均質(zhì)模型的計(jì)算結(jié)果存在較大誤差，且誤差隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大，分層模型更能準(zhǔn)確描述實(shí)際分層土壤的傳熱特性。
　　本文在垂直分層簡(jiǎn)化方法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了水平徑向分層的簡(jiǎn)化方法，并將該

4、方法應(yīng)用于樁基埋管換器中。樁基埋管方式相對(duì)于垂直埋管由于更具有充分使用土地面積，減少初投資以及增強(qiáng)熱交換器換熱性能等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。樁基埋管的直徑尺寸大，樁內(nèi)外熱物性差別明顯，需考慮樁基的內(nèi)外分層情況，傳統(tǒng)樁基計(jì)算模型大多是三維數(shù)值模型，具有建模復(fù)雜，計(jì)算速度慢等缺點(diǎn)。本文針對(duì)多U型對(duì)稱(chēng)分布樁基埋管，利用水平徑向分層簡(jiǎn)化方法，建立了環(huán)形分層數(shù)值模型，并用實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型；簡(jiǎn)化數(shù)值模型與線熱源及圓柱源等經(jīng)典模型進(jìn)行了比較，結(jié)果表