地源熱泵垂直U型埋管換熱器周圍土壤溫度場(chǎng)的數(shù)值模型.pdf

1、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)利用土壤作為冷熱源,通過地下埋管中的循環(huán)流動(dòng)介質(zhì)與土壤進(jìn)行熱量交換,進(jìn)而由熱泵實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供冷或者供暖。與傳統(tǒng)空調(diào)相比,地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)利用可再生能源,具有節(jié)能和環(huán)保的特點(diǎn)。對(duì)于采用U型埋管換熱器的地源熱泵來說以其適用范圍廣、性能穩(wěn)定、換熱效率高等優(yōu)勢(shì)越來越得到關(guān)注。本文對(duì)地源熱泵垂直U型埋管換熱器系統(tǒng)的研究成果進(jìn)行了綜述,針對(duì)現(xiàn)有研究成果主要集中在U型埋管的傳熱傳質(zhì)模型、換熱器的換熱性能、強(qiáng)化傳熱以及熱泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿

2、真等方面,而作為能夠較直觀的反映土壤的熱物性和埋管的換熱性能的地下埋管換熱器周圍土壤溫度場(chǎng)的研究主要還是集中在理論階段,沒有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并且對(duì)地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)土壤溫度場(chǎng)的模擬大多是基于短時(shí)間條件,這就使得研究成果的應(yīng)用在一定程度上受到了限制。故本文開展了以地下埋管換熱器周圍的土壤溫度場(chǎng)為主要內(nèi)容的研究,采用理論分析、建立傳熱模型及借助于MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)值模擬、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證等方法對(duì)垂直U型埋管換熱器周圍的土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行研究,以

3、求得到兩種不同地質(zhì)條件、不同的鉆孔回填材料、熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期和短期運(yùn)行、不同埋管管徑大小以及變熱流工況對(duì)埋管換熱器周圍土壤溫度場(chǎng)的影響,并得出熱作用半徑與單位埋管管長(zhǎng)換熱量之間的關(guān)系。模擬結(jié)果表明,在短期(30天)運(yùn)行條件下,土壤的導(dǎo)熱系數(shù)大小直接影響熱作用半徑長(zhǎng)度,土壤導(dǎo)熱系數(shù)為2.035W/m·℃、3.49W/m·℃時(shí)熱作用半徑分別為3.8m和4.2m。導(dǎo)熱系數(shù)大的細(xì)河砂回填材料,埋管管壁土壤最高溫度只有42.3℃,而水泥砂漿回填時(shí)高達(dá)

4、50.9℃,說明導(dǎo)熱性能好的回填材料有利于增大管內(nèi)流體與周圍土壤的溫差從而增大了土壤與埋管的換熱量。對(duì)于3個(gè)月的長(zhǎng)期模擬分析得到熱作用半徑達(dá)4.5m左右。通過505W/m~2、550 W/m~2和650 W/m~2三種不同熱流密度對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響模擬結(jié)果表明,熱流密度越大(為650 W/m~2)時(shí),熱作用半徑也越大,但埋管周圍土壤與管內(nèi)流體的溫差也越大,因此不利于埋管與土壤的換熱。最后總結(jié)了有利于埋管換熱的設(shè)計(jì)間距。通過重慶地區(qū)的夏季