地源熱泵垂直U型埋管換熱器周圍土壤溫度場的數(shù)值模型.pdf

1、地源熱泵空調系統(tǒng)利用土壤作為冷熱源,通過地下埋管中的循環(huán)流動介質與土壤進行熱量交換,進而由熱泵實現(xiàn)對建筑物的供冷或者供暖。與傳統(tǒng)空調相比,地源熱泵空調系統(tǒng)利用可再生能源,具有節(jié)能和環(huán)保的特點。對于采用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)勢越來越得到關注。本文對地源熱泵垂直U型埋管換熱器系統(tǒng)的研究成果進行了綜述,針對現(xiàn)有研究成果主要集中在U型埋管的傳熱傳質模型、換熱器的換熱性能、強化傳熱以及熱泵系統(tǒng)的動態(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的研究主要還是集中在理論階段,沒有相關的實驗驗證,并且對地源熱泵系統(tǒng)運行時土壤溫度場的模擬大多是基于短時間條件,這就使得研究成果的應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為主要內容的研究,采用理論分析、建立傳熱模型及借助于MATLAB軟件進行數(shù)值模擬、實測數(shù)據(jù)驗證等方法對垂直U型埋管換熱器周圍的土壤溫度場進行研究,以

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

4、50.9℃,說明導熱性能好的回填材料有利于增大管內流體與周圍土壤的溫差從而增大了土壤與埋管的換熱量。對于3個月的長期模擬分析得到熱作用半徑達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土壤溫度場的影響模擬結果表明,熱流密度越大(為650 W/m~2)時,熱作用半徑也越大,但埋管周圍土壤與管內流體的溫差也越大,因此不利于埋管與土壤的換熱。最后總結了有利于埋管換熱的設計間距。通過重慶地區(qū)的夏季