234 地下水渗流对地源热泵系统地下埋管换热的影响

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1、地下水渗流对地源热泵系统地下埋管换热的影响武汉市建筑设计院华中科技大学胡磊华中科技大学胡平放雷飞孙启明摘要本文建立了一种考虑地下水渗流的地下埋管三维传热模型，并利用模型在Matlab环境下模拟了在有无渗流情况下以及改变地下水渗流速度时，埋管出水温度的变化以及埋管周围温度分布的变化，说明地下水渗流有利于埋管换热，在系统设计中是应该考虑的因素；介绍了一种可以借助所建模型通过“可获得的参数”－埋管出水温度推导“要获得的参数”－土壤综合导热系数的方法，该方法考虑地下水渗流因素，可数值求解综合导热系数，结果可用于指导实际工

2、程设计。关键词地下埋管换热器Matlab程序地下水渗流土壤综合导热系数0引言地源热泵空调系统是一种可以用于夏季制冷、冬季供热的节能新型空调系统，近十年来由于政府的大力推广，它的应用越来越广泛，大量工程开始采用这种空调系统。同时，关于地源热泵系统的研究工作也在逐步展开，如何使系统设计更为合理，运行更为高效，成为研究者关注的最重要的问题。本文就将针对影响地源热泵系统地下埋管换热器换热的一个因素——地下水渗流因素以及影响土壤导热系数计算结果的各种因素包括测试时间和计算时间的选取、土壤比热容假定、土壤初始温度的测定等进行

3、分析，以期通过对这些因素的分析，得出一些有价值的规律和结论，从而优化实际的工程设计。1考虑地下水渗流影响的地下埋管三维传热模型1.1热渗耦合传热的能量控制方程对于多孔介质土壤，考虑地下水渗流的热渗耦合传热能量控制方程已经由前人推导得出了，孔隙率为，单相流体非等温渗流的能量方程为[1]：(1)而且，;;;;.其中，下标表示液相参数；下标表示固相参数；下标表示两相综合参数；表示密度；表示比热容；表示源项能量；表示热容比；表示热扩散率；代表控制体内能量变化项；代表地下水渗流能量变化项；代表导热项；代表源项。将上述能量控

4、制方程进行离散处理，然后对地下埋管及周围土壤进行网格划分，针对每个节点建立能量平衡方程。1.2有限体的网格划分方法由于考虑地下水渗流影响，本文水平区域的网格划分是在直角坐标系下划分的正方形网格如图1，垂直方向网格划分如图2：图1水平截面的网格划分图2垂直方向的网格划分模型中网格用直角坐标（x，y，z）来表示，以埋管支管间节点为中心，分进出水口端节点，两端对称节点坐标相同。为了适合整体网格的划分方式，水平网格划分时，圆形的埋管被等价于截面积相等的方形网格，管段壁厚按照原壁厚选取，管道沿中心线剖开，下端面为对称绝热边

5、界，网格从埋管节点开始向外以1.3倍的比例因子逐步加宽；垂直方向网格按等距划分，在埋管底部K=Nver-1的节点层以下，随运行时间的延长，埋管周围土壤的热量积聚程度逐渐加重，考虑到该层节点与其下方的土壤之间有温差的存在，会发生垂直方向的换热，因此在该层以下加设了一层土壤节点（即图中的K=Ne的节点层）。1.3模型假设条件（1）、将土壤看成一个均匀的、均值的、刚性、各向同性的饱和多孔介质，具有相同的导热系数值；流体与固体瞬间达到局部热平衡；假设水和砂土的热平衡是瞬间发生的，即砂粒骨架和周围流水具有相同的温度；液相通

6、过对流作用输送热量；（2）、液相流动在层流范围内，符合Darcy定律；只考虑单方向的地下水渗流情况；（3）、钻井区域回填材料与原状土壤相同；忽略接触热阻；忽略土壤湿迁移；（4）、地下埋管同一管截面的流体具有相同的温度与流速；（5）、将埋管底端以下2m处的平面视为绝热边界。（6）、由于实际的渗流情况很复杂，在进行模拟计算的时候渗流模型相应的作了简化处理，如图3、图4。真实的渗流情况比较复杂，渗流轨迹复杂，在渗流模型中对渗流轨迹做出简化，按照单一方向流动。对以上划分的网格节点建立能量平衡方程，进行程序的编译，就可以根

7、据给定的边界条件和初始条件以及钻井、土壤物性、地下水等相关参数在Matlab环境下进行模拟运算。图3真实渗流图4渗流模型2考虑地下水渗流影响的U型埋管三维非稳态数值模拟2.1考虑地下水渗流的U型埋管三维非稳态数值模拟为了分析有渗流情况下土壤温度的分布情况，给定地下水的相关参数：地下水沿单向流动，流速为150m/a，在18m以下为地下水渗流区域，通过程序模拟计算，对比有无渗流情况下土壤温度的分布区别，其他参数如表1。表1钻井相关参数项目密度kg/m3导热系数W/m·k比热容J/kg·℃井口直径mm井深m埋管内/外径

8、mm导温系数m2/s土壤参数22702.01050管井参数2005026/32回填材料22702.01050管内流体参数995.70.58541741.39e－7将相关参数输入程序中运行，给定埋管进水温度35℃，连续模拟两个月的运行情况，对比有无渗流情况下相应节点温度变化如下图：图5y=1处不同井深节点温度分布（无渗流）图6y=1处不同井深节点温度分布（有渗流）图7出水口