热渗耦合下的地埋管换热器管群排列方法研究.pdf

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1、第32卷第8期可再生能塬V0l_32No．82014年8月RenewableEnergyResourcesAug．2014热渗耦合下的地埋管换热器管群排列方法研究杨刚杰，郭民(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)摘要：为了确定地源热泵工程中地埋管换热器管群的最优排列方法和管间距，建立了热渗耦合下的地埋管换热器管群三维传热模型。利用Fluent软件通过数值方法模拟了不同排列方法、不同管间距下的换热器出水口温度，着重研究了存在地下水渗流时管群排列方法对换热能力的影响，并且提出了管群单位面积换热量这一评价指标。研究结果表明，叉排管群的换热能力要高于顺排管群，地下水的渗流作用使

2、之更加明显。无论是叉排还是顺排．管群的换热能力都和地下水渗流方向密切相关。关键词：地埋管换热器；管群；地下水渗流；顺排：叉排中图分类号：TK529文献标志码：A文章编号：1671—5292(2014)08—1182—060前言管内部的循环液以1m／s左右的速度与管壁、土在土壤源热泵系统中，单根地埋管换热器往壤对流换热，管内的流场处于湍流状态，故管内采往很难满足建筑负荷要求，通常都是由多个地埋用标准K—湍流模型嘲；管外的土壤是由固、液、管并联或者串联在一起同时运行[1]。目前关于单相三相物质组成的多孔介质，多孑L介质中含有地根地埋管换热特性的研究已经较为成熟，而对于下水流动并且流动处于层流

3、状态．故管外采用多地埋管管群的研究还相对较少。邹立成对不同间孔介质模型。歇周期下管群换热器周围的土壤温度场的变化规1．1管内湍流模型律进行了研究；纪世昌利用MATLAB求解了地U型管内流体控制方程的通用形式为埋管管群周围土壤温度场并且对管群间热干扰进十div)=div(F~radqJ)+s(1)行了分析研究[3]。土壤是一种由气、固、液三相物式中：P为流体的密度；西为通用变量，可代表坐质组成的多孔介质，实际工程中地埋管的埋管深标轴方向速度、温度、脉动动能K、脉动动能度一般为100m左右，在这个深度内不同程度地耗散率￡；为广义扩散系数；S为广义源项。存在地下水流动问题，尤其是沿海地区和长江

4、流=1时，式(1)为连续性方程；=Mi时，式(1)域的地下水渗流更不能忽略，并且一般的实际为动量方程；=r，时，式(1)为能量方程；=K时，工程都有埋管场地面积的限制，因此考虑存在地式(1)为湍流动能方程。下水渗流的情况下在有限面积内确定一种高效率1．2管外多孔介质模型的管群排列方法有着重要意义。将土壤和回填材料作为各项同性的饱和多孔本文利用FLUENT软件建立了地埋管换热介质，只考虑地下水沿水平方向的流动，忽略纵向器管群模型，该模型考虑了地下水渗流的影响，对的渗流。管群的不同排列方法和管间距分别进行了数值模多孑L介质中流体的能量守恒方程为拟，研究结果可为优化地埋管管群设计提供理论+依据

5、。pc}wcVgVt=Vg(kVt)(2)1传热模型式中：pc为总的体积比热容；JDwc为水的体积比热管群模型可分为管内模型和管外模型。U型收稿日期：2013—09—25。基金项目：国家自然科学基金项目(61174109)。作者简介：杨刚杰(1990-)，男，河南濮阳人，硕士研究生，主要从事地源热泵的研究工作。E-mail：yanggan蓟ie@163．corn·1182·杨刚杰．等热渗耦舍下的地埋管换热器管群排列方法研究容；V为渗流速度场；k为多孔介质的表观导热系数。oooo多孑L介质的孑L隙率为，则多孑L介质的总的o体积比热容和表观导热系数为k=~okw+(1-q~)k(3)opc=

6、c+(1一)p(4)式中：k和k分别为多孔介质中固体和水的导热o系数；为多孔介质中固体的体积比热容同。oooO令多孔介质的表观热扩散率a=k／pc．假设渗图1管群顺排图流速度均匀并且流向沿X轴方向．则能量方程可Fig．1Pipegroupofalignedarrangement以简化为ooooo+：口v(5)a丁a式中：u=up,,cJpc)。oo2模拟仿真oO2．1几何模型的建立地埋管换热器与周围土壤换热过程复杂，影Oo响因素众多。本文建立模型之前做以下假设：①土ooooo壤均匀并且保持热物性恒定不变；②流体热物性保持恒定不变；③忽略土壤温度沿深度方向的变图2管群叉排图化；④地下水流动

7、方向和速度恒定不变；⑤土壤为Fig．2Pipegroupofstaggeredarrangement均匀的多孔介质并且地下水饱和。2．2边界条件的设置本文采用Gambit专业前处理软件建立几何本文采用Fluentl4．0、三维双精度解法器、标模型并且划分网格，单管的几何参数和实际试验准，c—s湍流模型和SIMPLEC算法进行模拟计算。参数相同，参数如表1所示。将土壤和回填井作为多孔介质计算域，由于地埋表1模型几何参数管换热器U型管外