滲流作用下的垂直地埋管換熱器傳熱性能理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、土壤源熱泵是一種利用淺層地?zé)岬目照{(diào)冷熱源系統(tǒng)，高效、節(jié)能、環(huán)保。地埋管換熱器與周圍土壤的傳熱性能一直是土壤源熱泵技術(shù)研究的主要關(guān)注點(diǎn)。目前，實(shí)際應(yīng)用的地埋管換熱器的傳熱模型主要是基于純導(dǎo)熱基礎(chǔ)上的，未能考慮地下水滲流對埋管換熱器傳熱性能的影響，這就會(huì)使地下水豐富區(qū)域內(nèi)的地埋管換熱器設(shè)計(jì)長度偏大，導(dǎo)致初投資增加及系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的提高。因此，建立能考慮地下水滲流對地埋管換熱影響的傳熱模型，對其傳熱性能和運(yùn)行效果進(jìn)行準(zhǔn)確的評估是十分必要的。本研

2、究主要內(nèi)容包括：
　　⑴地埋管傳熱解析模型因計(jì)算方便快捷而被廣泛應(yīng)用于地埋管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算和傳熱性能分析中?，F(xiàn)有的地下水滲流作用下的地埋管換熱器傳熱解析模型尚不能綜合求解管內(nèi)流體在周圍土壤導(dǎo)熱與地下水滲流耦合作用下的傳熱問題。因此，本文基于鉆孔外移動(dòng)有限長線熱源的格林函數(shù)，結(jié)合鉆孔內(nèi)單U和雙U型埋管的準(zhǔn)三維傳熱模型，以鉆孔壁為溫度耦合面建立了可考慮滲流影響的地埋管鉆孔內(nèi)、外耦合的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題的解析模型，利用Matlab軟件編程

3、通過迭代尋優(yōu)法實(shí)現(xiàn)了模型的求解計(jì)算。進(jìn)一步對所建立的單鉆孔埋管換熱器模型輔以疊加原理，建立了地埋換熱管群的傳熱解析模型。并基于達(dá)西定律設(shè)計(jì)搭建了縮尺砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了飽和砂以及有滲流作用時(shí)砂中單根和多根線熱源散熱的溫度響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)分別驗(yàn)證了相關(guān)模型解的準(zhǔn)確性和可靠性。
　　⑵利用所建立的解析解模型對滲流作用下單鉆孔換熱器散熱時(shí)的埋管出口水溫和土壤溫度響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算，提出了地埋管“換熱效率”的概念，用來

4、反映埋管換熱器實(shí)際換熱量接近理論最大換熱量的程度。并利用“單位井深換熱量”和“換熱效率”作為評價(jià)指標(biāo)就土壤物性、滲流速度、入口流量及入口水溫等因素對單鉆孔埋管換熱器傳熱性能的影響進(jìn)行了定量的分析。進(jìn)一步研究了滲流作用下地埋換熱管群連續(xù)和間歇散熱所引起的土壤溫度響應(yīng)和恢復(fù)特性，并分析了不同布管方式下管群間的熱干擾作用強(qiáng)弱。結(jié)果表明：滲流和間歇運(yùn)行有助于緩解管群間的熱堆積現(xiàn)象，延緩?fù)寥赖恼w溫升。建議在管群排列時(shí)加大沿滲流方向的鉆孔間距，適

5、當(dāng)縮小垂直于滲流方向的鉆孔間距，或盡量減少沿滲流方向的鉆孔數(shù)量。
　　⑶針對因地質(zhì)結(jié)構(gòu)不同而使豎直地埋管換熱器沿深度方向穿越不同的土壤層，且僅部分土壤層中存在滲流對其傳熱性能產(chǎn)生影響的問題，利用疊加原理建立了可分層考慮滲流和土壤物性影響的鉆孔外非穩(wěn)態(tài)傳熱解析模型。利用該模型對分層土壤有、無滲流的作用時(shí)埋管散熱的土壤溫度響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算，并與均質(zhì)模型的結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：分層模型可揭示出土壤分層所導(dǎo)致的埋管周圍土壤溫度響應(yīng)沿軸向