地源熱泵垂直土壤換熱器溫度過程與換熱性能研究.pdf

1、土壤耦合熱泵(Ground Coupled Heat Pump，GCHP)是一種高效節(jié)能的空調(diào)技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于住宅和商業(yè)建筑的供熱、供冷工程。與傳統(tǒng)水源熱泵系統(tǒng)相比，GCHP增加的設(shè)備是土壤換熱器(Ground Heat Exchanger，GHE)，GHE的尺寸和換熱性能，將直接關(guān)系到GCHP系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行成本。
　　 解析解可靠性高、適用性強(qiáng)、求解過程簡單，廣泛應(yīng)用于GHE的設(shè)計(jì)計(jì)算。論文首先對鉆孔外和鉆孔內(nèi)單U型和

2、雙U型GHE傳熱的解析解模型進(jìn)行了分析，并且分別提出了在進(jìn)口溫度和換熱量已知的條件下，鉆孔內(nèi)外耦合傳熱的計(jì)算方法。然而，當(dāng)GHE非連續(xù)運(yùn)行時(shí)，耦合解析解便難以用于GHE傳熱過程的精確計(jì)算。
　　 為更精確計(jì)算GHE的傳熱過程，分別建立了單U型和雙U型GHE實(shí)際尺寸的三維數(shù)值解模型，對其進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算。通過與相關(guān)文獻(xiàn)中熱響應(yīng)測試結(jié)果的對比，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，并且與解析解模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，指出了解析解的一些不足。<

3、br>　　 在實(shí)際中，GCHP往往是非連續(xù)運(yùn)行的，這時(shí)解析解很難對GHE的傳熱過程進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。通常，GCHP的非連續(xù)運(yùn)行方式可概括為以一天為單位的周期運(yùn)行方式。利用所建立的單U型GHE三維數(shù)值解模型對周期運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行時(shí)的換熱性能及周圍土壤溫度分布進(jìn)行了對比分析，說明周期運(yùn)行時(shí)GHE的換熱性能將會比連續(xù)運(yùn)行時(shí)有很大的提升，采用未考慮該效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法對周期運(yùn)行時(shí)的GHE進(jìn)行設(shè)計(jì)將會造成設(shè)計(jì)尺寸過大，初投資增加。
　　 影響GH

4、E換熱性能的因素有很多，利用所建立的三維數(shù)值解模型分別對單U型與雙U型GHE換熱性能的影響因素進(jìn)行了分析，并對兩種GHE的換熱性能差異進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，由于熱短路現(xiàn)象的存在，雙U型GHE換熱性能不一定強(qiáng)于單U型，只有GHE流量大于某臨界流量時(shí)，雙U型GHE的換熱性能才強(qiáng)于單U型。此外，以單U型GHE為例，通過在U型管中間設(shè)置絕熱擋板的方法分析了熱短路效應(yīng)對換熱性能的影響，給出了控制熱短路可能帶來的效益。
　　 適宜的周圍土壤

5、溫度場，是確保GHE高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，而地下水滲流也有利于GHE的高效運(yùn)行。為研究GCHP系統(tǒng)常年運(yùn)行時(shí)GHE管群周圍土壤的熱積累問題，建立了管群周圍土壤傳熱的二維數(shù)值解模型，在純導(dǎo)熱和兼有地下水滲流條件下，對系統(tǒng)單向連續(xù)運(yùn)行、單向間歇運(yùn)行和雙向間歇運(yùn)行模式下土壤的熱積累問題進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，地下水滲流速度對管群周圍土壤熱積累有很大影響，地下水滲流速度越小，影響越大，當(dāng)?shù)叵滤疂B流速度小于10-6m/s時(shí)，必須考慮熱積累問題。