滲流條件下地埋管換熱器傳熱影響因素及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著全球能源危機(jī)的加劇，世界的能源戰(zhàn)略也由替代能源戰(zhàn)略向建立環(huán)境無(wú)害、循環(huán)清潔的可再生能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，發(fā)展“低碳經(jīng)濟(jì)”、“可再生能源”成為世界各國(guó)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展必由之路。利用淺層地溫能的土壤源熱泵系統(tǒng)因其良好的穩(wěn)定性、環(huán)保性成為世界各國(guó)政府和行業(yè)協(xié)會(huì)推薦使用的熱泵類型，其應(yīng)用規(guī)模逐年增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)2010年地源熱泵的年利用能量達(dá)到了214782萬(wàn)億焦耳，比2005年增長(zhǎng)了2.45倍，平均年增長(zhǎng)率達(dá)19.7％。我國(guó)土壤源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用

2、在政府的大力支持下，發(fā)展迅速并成為當(dāng)前研究的熱門課題之一。目前，國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)的研究大多集中在提高地埋管換熱器換熱效率的問(wèn)題上，主要通過(guò)完善地埋管換熱器的傳熱模型，合理確定地埋管換熱器的最佳尺寸、埋管方式和運(yùn)行模式來(lái)提高地埋管換熱器的換熱性能。
　　 鑒于此，本文以多孔介質(zhì)的流動(dòng)與傳熱理論為基礎(chǔ)，對(duì)地下水滲流對(duì)地埋管換熱性能的影響進(jìn)行了研究，建立了包含滲流的熱滲耦合傳熱模型，并進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了地下水滲流對(duì)

3、地埋管換熱器周圍土壤溫度場(chǎng)的影響，以及密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、孔隙率等土壤物性參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，有滲流時(shí)地埋管周圍溫度的分布與無(wú)滲流時(shí)有較大區(qū)別，其溫度場(chǎng)不再呈圓形對(duì)稱分布，發(fā)生了順滲流方向的偏移;地下水滲流速度越大，偏移量越大，沿滲流方向的土壤熱影響區(qū)域也越大。當(dāng)滲流速度從1e-6m/s增至5e-6m/s時(shí)，熱影響區(qū)域由1m增大到1.8m。滲流增強(qiáng)了土壤中的對(duì)流換熱，有滲流時(shí)的換熱量明顯大于無(wú)滲流時(shí)的換熱量。土壤物性參數(shù)對(duì)

4、溫度場(chǎng)的影響為:密度較大的土壤熱擴(kuò)散能力較小，不利于熱量傳遞，易形成熱堆積現(xiàn)象;當(dāng)密度從1200kg/m3增至2400kg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)域由1.8m減少為1.6m。導(dǎo)熱系數(shù)大的土壤熱擴(kuò)散能力較大，利于地埋管換熱器周圍熱量的擴(kuò)散;當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)從0.9W/m·k增至3.6W/m·k時(shí)，對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)域由1.5m增大為1.7m。比熱容較大的土壤熱擴(kuò)散能力較小，不利于熱量的傳遞，易形成熱堆積現(xiàn)象;當(dāng)比熱容從1200J/kg·k增至240

5、0J/kg·k時(shí)，對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)域由1.6m減少為1.2m?？紫堵瘦^大的土壤其熱影響區(qū)域較小，當(dāng)孔隙率由0.1變化為0.4時(shí)，對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)域由1.7m減少為1.6m。
　　 運(yùn)用熱滲耦合傳熱模型和COMSOL Multiphysics軟件，對(duì)西賈苑小區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)中地埋管換熱器的布設(shè)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)分析項(xiàng)目區(qū)氣象水文、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等因素，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試以及模擬計(jì)算與分析比較不同埋管間距和排列方式可能造成的冷熱堆