z201101011-11垂直u型埋管换热器热力性能研究1

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1、垂直U型埋管换热器热力性能分析郑宗和，王卫晓，纪超，肖衍党（天津大学机械工程学院热能系，天津300072）摘　要：针对土壤源热泵系统的地下垂直U型埋管换热问题，建立了钻孔和周围土壤的非稳态温度场的物理和数学模型，并采用MATLAB软件对传热模型进行有限元数值模拟。通过数值模拟方法对土壤温度场进行分析，得出埋管周围等温线分布情况，以及在不同运行时间下，热量所能传递的范围，直观的了解埋管周围的换热特性。在模型和数值求解方法基础上，模拟并分析了U型埋管在不同地质状况、运行方式、埋管深度、管间距及地热耦合井回填材料下换热器周围土壤的温度场变化情况，得出了大量有助于地源热泵

2、系统地埋管工程设计的数据和依据。关键词：U型垂直埋管换热器；传热模型；数值模拟；非稳态温度场；热力性能中图分类号：TK52　　　　文献标识码：ATheThermalPerformanceAnalysisOfVerticalU-tubeGroundHeatExchangersZhengZong-he，WangWei-xiao，JiChao，XiaoYan-dang（DepartmentofThermalEngineering，SchoolofMechanicalEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China）Abs

3、tract：AimingattheproblemofundergroundverticalU-tubeheatexchangeringroundsourceheatpumpsystem,toestablishthetransientheattransferphysicalandmathematicalmodelofthesoilandboreholetemperaturefield,aroundaverticalU-tubeofgroundsourceheatpump.Finiteelementnumericalsimulationismadebyvirtueof

4、MATLABsoftware.Throughthemethodofnumericalsimulation,thepaperanalyzesthesoiltemperaturefield,getsthedistributionofisothermsaroundthepipe,obtainsthescopeoftheheattransfer,andunderstandstheheattransferperformancearoundthepipeintuitively.Basedonthemodelandnumericalsolution,thepaperanalyz

5、esthechangesoftemperaturefieldaboutthesoilaroundgroundheatexchangers,inthedifferentgeologicalconditions,operatingmode,layout,pipedepth,pipecouplingintervalandborebackfillingmaterialssituation,andthengainsthedatatohelptotheengineeringdesignofgroundheatexchangers.Keyword：VerticalU-tubeg

6、roundheatexchangers；Heattransfermodel；Numericalsimulation；Unsteadytemperaturefield；ThermalPerformance收稿日期：2010-12-11；修回日期：2011-1-20.作者简介：郑宗和（1957.3——），男，高级工程师，zzh318@tju.edu.cn.通讯作者：王卫晓，wangweixiao2009@126.com.1对地源热泵而言，全面了解地下埋管周围的土壤温度场分布情况十分重要，因为地源热泵的运行工况与埋管周围的土壤温度场密切相关。只有了解土壤温度场在地源热泵

7、运行前后的分布情况，才有可能设计出最优的地下埋管换热器，合理的设计才会提高地下埋管的换热性能，从而提高地源热泵系统的运行性能系数及经济性。因此，如何完善地埋管传热模型，使其能够更好地模拟地埋管与土壤的真实传热过程具有重要的意义。通过数值模拟方法对土壤温度场进行分析，可以得出埋管周围等温线分布情况，以及在不同的运行时间下，热作用半径的大小，直观的了解埋管周围的换热性能[1]。1U型垂直埋管的物理模型U型垂直埋管的地下结构如图1所示，由于U型竖直埋管地下换热器几何形状和土壤传热的复杂性，建立精确模拟所有实际情况的模型并求解，以现有的计算技术来说几乎不可能，因此要做必要

8、的简化[2