水平蛇形地埋管換熱器換熱性能研究.pdf

1、土壤源熱泵是以地表淺層土壤作為熱泵的熱源,隨著近年來可再生能源問題的發(fā)展而發(fā)展起來的一種高效節(jié)能利用地能的技術。近幾十年來,許多學者對土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的設計、實驗測試、數(shù)值計算等方面進行了相關研究。本文主要以水平蛇形地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為研究對象,對水平蛇形地埋管換熱器的換熱性能以及恢復工況進行研究,此次實驗共鋪設兩層水平蛇形地埋管,埋深分別為1.8m和2.2m,兩層水平蛇形地埋管換熱器既可以串聯(lián)運行也可以分別獨立運行,夏季采

2、用的是熱響應實驗方法,以加熱水箱代替熱泵機組,冬季采用的是地源熱泵實驗方法。通過在水平蛇形地埋管管壁上以及不同埋深的土壤中鋪設熱電偶來采集各個測點的溫度。
　　本文主要研究了土壤初始溫度的確定和水平蛇形地埋管換熱器換熱性能的分析,在研究土壤初始溫度的時候主要從回填空氣間隙對土壤初始溫度的影響著手,分析實際工程中,由于人工回填的不確定性,回填間隙可能帶入空氣,導致土壤未夯實,研究人工回填未夯實(回填間隙帶入空氣)對土壤初始溫度和水平

3、蛇形地埋管換熱器換熱性能的影響。
　　首先,本文假設未夯實土壤所帶入的空氣間隙是呈長方體豎直均勻貫穿在所研究的土壤中的,從而建立了未夯實土壤(回填間隙帶入空氣)初始溫度數(shù)值計算模型,利用CFD軟件求解,得到未夯實土壤初始溫度數(shù)值計算結果,并將未夯實土壤初始溫度數(shù)值計算結果與土壤夯實情況下的理論計算值進行比較,結果表明未夯實土壤數(shù)值計算由于回填時土壤間隙混入了空氣導致在埋深2.2m處土壤初始溫度比土壤夯實情況下的理論計算值高0.88

4、℃,說明回填未夯實土壤間隙混入空氣會對土壤的初始溫度帶來一定程度的影響。
　　接著,本文以未夯實土壤(回填間隙帶入空氣)初始溫度數(shù)值計算結果和夯實土壤初始溫度理論計算結果作為邊界條件,建立夏季埋深為2.2m的水平蛇形地埋管換熱器與土壤換熱耦合數(shù)值計算模型,并利用CFD軟件求解,得到土壤在未夯實(回填間隙帶入空氣)和夯實情況下水平蛇形地埋管換熱器進出口溫度,沿流動方向水溫變化情況及平均傳熱系數(shù)隨時間的變化值以及在夯實情況下土壤溫度的

5、恢復數(shù)值計算結果。結果表明土壤未夯實(回填間隙帶入空氣)會使水平蛇形地埋管換熱器進出口溫度升高,系統(tǒng)效率降低,換熱性能下降,土壤平均傳熱系數(shù)下降。
　　緊接著本文對冬夏季實驗測試土壤的初始溫度進行分析,并將夏季實驗回填完成后所采集到的土壤的初始溫度與未夯實土壤數(shù)值計算結果、夯實土壤初始溫度理論計算結果進行對比分析,發(fā)現(xiàn)夏季實驗測試土壤的初始溫度結果與未夯實土壤(回填間隙帶入空氣)初始溫度數(shù)值計算結果吻合,從而確定在實際回填中,土壤

6、是沒有夯實的。在埋深為2.2m處,實驗測試對象由于回填時土壤間隙混入了空氣導致土壤初始溫度比夯實情況下的理論初始溫度值高1.01℃。因此在實際熱響應實驗開始前對土壤進行了再次加密,使其夯實。
　　再接著本文將單獨開啟埋深為2.2m層、單獨開啟埋深為1.8m層以及兩層水平蛇形地埋管串聯(lián)運行夏季熱響應實驗及冬季水平地埋管地源熱泵實驗的各個工況的數(shù)據(jù)進行了處理,研究分析冬夏季各個工況下水平蛇形地埋管換熱器的換熱性能,結果表明地下二層(埋

7、深為2.2m層)水平蛇形地埋管換熱器的換熱性能要優(yōu)于地下一層(埋深為1.8m層)水平蛇形地埋管換熱器的換熱性能。本文還研究了冬夏季各個運行工況下水平蛇形埋管換熱器中循環(huán)水隨流動方向溫度的變化,冬夏季最優(yōu)工況下單位管長的換熱量和土壤平均傳熱系數(shù)K值的求取,夏季土壤溫度恢復過程分析,夏季變加熱量對水平蛇形地埋管換熱器換熱性能的影響,冬季變流量對水平蛇形地埋管換熱器換熱性能的影響。
　　然后本文將所分析得到的埋深為2.2m層的水平蛇形地

8、埋管換熱器與土壤換熱實驗測試結果與以夯實土壤、未夯實土壤(回填間隙帶入空氣)的初始溫度作為邊界條件建立的埋深為2.2m層的水平蛇形地埋管與土壤換熱耦合數(shù)值計算結果進行對比分析。發(fā)現(xiàn)實驗測試結果與以夯實土壤初始溫度作為邊界條件的數(shù)值計算結果吻合得很好,從而說明在實驗開始前對土壤進行再度夯實的工作時基本達到要求了的。
　　最后,本文提出優(yōu)化地源熱泵系統(tǒng)水平蛇形地埋管設計的參考值,包括了水平地埋管換熱器埋深設計的建議值;單位管長的換熱量