地源热泵土壤源换热器热短路问题的研究

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华中科技大学硕士学位论文摘要地源热泵系统具有高效、节能、环保的特性，近年来日益受到人们的重视。对于竖直埋管形式的地源热泵而言，其推广的最大障碍之一是地下换热器的初投资较高，因此，如何提高换热器单位管井换热能力，是研究和工程应用中的一个重要的课题。在影响换热器换热效率的各种因素中，热短路是一个值得研究的问题，数值计算是分析这一问题的有效手段之一。以往研究热短路现象所采用的模型多为二维、二维等效管模型等，由于埋管换热器在岩土层中的实际传热是一个三维的非稳态过程，在二维模型基础上得出的结论可能与实际情况误差较大。本文采用数值计算的方法，利用FLUENT软件，建立了对地源热泵地埋换热器三维传热模型，以一个独立的单U埋管为对象，对不同钻井深度、不同回填材料热物性、不同管内流体流速等条件下的换热过程进行了模拟计算；通过比较进出水管管内断面平均水温在不同管井深度上的变化，分析了上述因素对热短路影响的程度，同时分析了热短路对单位井深换热量影响；针对热短路特征十分明显的情形，模拟与分析了采取局部保温措施的效果；定义了单位换热量管井投资成本和水泵功耗成本，对不同情形进行了比较。结果表明，随钻井深度和回填材料导热系数的增加，热短路现象越明显；流速的增加会减少热短路现象，但液体输送泵的功耗会增加。因此，在设计时，应该综合考虑各个因素的影响。对出水管作一定长度的保温措施后，发现在出水管增设一段保温层效果不明显；而采用间歇运行的方式，管脚间的热短路影响减弱，换热效率增加，但是，能否采用间歇性的运行，是由系统的负荷特性确定的。关键字地源热泵;数值模拟;热短路I 华中科技大学硕士学位论文AbstractDuetoitshighefficiencyandenergysaving,thebenefitsofGroundSourceHeatPump(GSHP)isgraduallyrecognizedbypeople.However,thegreatestobstacleofpromotingtheapplicationofGSHPisitshighinitialinvestment.Therefore,howtoimprovethecapacityofheatexchangingpermeterisanimportantissueinthisfield.Shortcircuitingandthermalinterferenceisoneofthefactorsthatimpactingtheefficiencyoftheheatexchanger.Thenumericalsimulationisagoodwaytoanalysethisproblem．Theoperationofboreholeheatexchangerinthegroundisalongtimeunsteady-stateprocesswhichoccurredinathree-dimensionalspace.Itcannotbesimulatedaccuratelybytwo-dimensionalorequivalentmodelwhichareusedcurrently.Anumericalsimulationisintroducedtoestablishathree-dimensionalheattransfermodelofGSHPbyFLUENT.Tomeasuretheimpactofshortcircuiting,changingthedepthofborehole,backfillmaterial,fluidflowinputforsingleU-tubeboreholes.theauthoranalysestheeffectsofshortcircuitingandheatexchangingondepthofboreholeindifferentconditionbycomparingwiththechangesofaveragetransecttemperatureofintakepipeandouttakepipeatdifferentboreholedepth,.Intheobviouscharacterofshortcircuiting,simulatedandanalysisedtheeffectofpartheatpreservation,definedthecostofheatexchangerondepthofboreholeandpowerconsumptionofpumpindeferentconditions.Theresultshowsthatthephenomenonofshortcircuitingwillbemoreobviouswiththeincreaseofboreholedepthandheatcoefficientconductivityofbackfill.Whenthevelocityofflowincrease,theeffectofshortcircuitingwillreducewhereaspowerconsumptionwillincrease.So,variousfactorsshouldbeconsideredwhiledesigningthesystems.ReserchshowsthatholdingtubeortubularholderaroundoutletpipecannotbeveryeffectivewhereasthemethodofoperatingintermittentlycanreducetheeffectofII 华中科技大学硕士学位论文shortcircuitingandincreaseheatexchangeefficiency.Butwhetheroperatingintermittentlycanbeusedisdecidedbytheloadofthesystems.Keywords:ground-sourceheatpump;numericalsimulation;shortcircuitingIII 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日 华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题研究背景随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求，在发达国家中，供热和空调的能耗可占到社会总能耗的25％-30％，而能源和环境问题更是当今世界各国面临的重大问题。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭，矿物燃料燃烧产生的大量污染物。大量燃烧燃料产生的环境问题已日益成为各国政府和公众关注的焦点，所以需要寻找一种可持续发展的建筑节能新技术，地源热泵技术就是其中之一[1]。地源热泵的目前在欧美日等国家已经得到很广泛的应用，其巨大的经济和环保价值已经得到越来越多的认可。据有关资料显示，在瑞典该技术的采用占全部工程的70%，美、日约占9%，比利时、荷兰占8%-9%。地源热泵是以大地为热源对建筑进行空调的技术。冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。夏热冬冷地区供冷和供暖天数大致相当，冷暖负荷基本相同，用同一系统，可以充分发挥地下蓄能的作用。由于大地的年平均温度波动小,因此地源热泵的性能受气温变化影响很小[2]。它与传统的空气源热泵相比有以下优点：(1)一种有效的可再生能源技术岩土具有较好的蓄热性能，通过地埋换热器，夏季利用冬季蓄存的冷量制冷，同时向地下蓄存热量:冬季则利用夏季蓄存的热量制热，同时向地下蓄存冷量。这样可以实现冬夏冷热互相联供。另外地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的50倍还多。它不受地域的限制，真正是量大面广、无处不在。因此，地源热泵可以充分利用岩土的特性，实现冬夏能量互为补偿，是一种节能，环保，满足“可持续发展”的“绿色”能源技术。(2)有效的节能技术1 华中科技大学硕士学位论文一地能或地表浅层热资源的温度一年四季相对稳定，一般为10一25℃，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，其制冷、制热系数可达3.5和4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的60%。地源热泵的地埋换热器无需除霜，和空气源热泵系统相比能减少大约13%的除霜能耗。与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70一90%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量.根据美国环保署估计，设计良好的地源热泵，平均来说可以节约用户30～40%的供热制冷空调的运行费用。(3)环境效益显著地源热泵系统的埋地换热器置于地下，不受建筑物限制。由于不需要冷却塔等地上设备，也减少了建筑空间占用，美化了环境。地源热泵系统的节水效果也非常明显。污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其他节能措施，污染物减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量，属自含式系统，因此，制冷剂泄露机率大为减少。埋地换热器在地下静态地吸收放热，减少了空调系统对地面空气的热污染及噪音污染。(4)一机多用，应用范围广地源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调一两套装置或系统，可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于别墅住宅的采暖、空调。此外，机组使用寿命长，均在15年以上，机组紧凑、节省空间、维护费用低、自动控制程度高，可无人值守。我国经济的持续稳定发展，必然要改变人民的生活环境和生活意识，取暖降温技术从“消费品”向“必需品”转向，研究低能耗绿色的暖通空调技术是社会发展的必然趋势。从地源热泵系统看，该技术不仅有效地利用了可再生资源，而且具备可持续发展的要求，不对环境造成损害。2 华中科技大学硕士学位论文但是目前，地源热泵还没有如空气源热泵一样有广泛的应用，其原因是,一是地源热泵有较高的投资成本和需要占用一定的场地；二是迄今为止，还没有一种可靠的地源热泵设计方法和模拟模型。地源热泵的高投资成本成为目前推广地源热泵的一个瓶颈，降低地源热泵成本的一个主要方面是降低地埋换热器的钻孔费用和设计出合理的埋管长度和间距以提高单位管井的换热量，影响单位管井换热器的因素很多，如回填材料、管壁、土壤的热物性能、埋管间距、埋管深度、流体进出口水温、流速、地下水渗透等。在各种因素中，有人很早就注意到管脚间热短路是一个影响因素。“热短路”是指，对于U型地下埋管换热器而言，在同一深度，两管均保持着一定的温度差，埋管底部的温差为零，沿着管越往上温差越大，进出口水温差最大，但进出水管之间的距离较近，因此导致了埋管不仅与周围的土壤进行热传导，而且两管间也同时发生热传导，从而引起了热损失，这种现象被称为“热短路”。Kanvanough通过改变两管脚间距的办法，考察了热短路问题，指出两管脚间的相互干扰明显。然而，作者查询结果表明，对于热短路的定量的研究，未见有正式报道。1.2地源热泵组成地源热泵的原理如图一：节流装置室内末端冷凝器蒸发器压缩机土壤换热器水图1.1地源热泵原理图地源热泵由室内环路、热泵机组、地埋换热器组成。室内环路是在建筑物内和热泵机组之间传递热量，传递热量的介质有空气、水或制冷剂，因而相应的热泵机组分别应为水-空气热泵机组、水-水热泵机组和水-制冷剂热泵机组。地埋换热器的3— 华中科技大学硕士学位论文循环介质为水或防冻液。冬季从周围土壤吸收热量，夏季向土壤释放热量，其循环由一台低功率的循环泵来实现。换热器埋管形式有水平埋管和竖直埋管两种。水平埋管通常浅层埋设，开挖技术要求不高，初投资低于竖埋管，多用于早期。由于其占地面积大，开挖工程量大，现国外工程已很少采用。竖直埋管地源热泵系统占地面积小，特别适合用地紧张的城市，目前国外应用较多，发展也较快[5-6]。本论文采用的就是竖直埋管形式。1.3国内外的研究现状地源热泵技术最早起源上世纪于20年代的欧洲，是一种利用地下浅层地热资源，如土壤、海水或地表水等作为冷热源进行能量转换的空调系统，只需少量电能，所以不会对自然环境造成污染。“地源热泵”(GSHP)的名称最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中，20世纪50年代欧洲出现了利用地源热泵的第一次高潮。在此期间,Ingersoll[7]和Plass根据Kelvin线源概念提出了地下埋管换热器的线热源理论，但当时由于能源价格低，系统造价高，未得到广泛应用。70年代，石油危机把人们的注意力集中到节能、高效益用能，使地源热泵的发展进入了又一次高潮，此时地下埋管已由早期的金属管改为塑料管。这个时期欧洲建立了不少水平埋管换热器的地源热泵，但主要用于冬季供暖。80年代初开始，美国、加拿大开展了冷暖联供地源热泵方面的研究工作，不少文献报道了地源热泵不同形式地下埋管换热器的传热过程及模型，并有部分工程的运行总结和性能比较。到了90年代，计算机的发展又给地源热泵的计算和设计带来了极大的便利，人们对地源热泵的应用及理论和实验研究得到大量实际运行经验和计算机模型，逐渐形成一套成型的设计方法和一系列确定地下换热器尺寸的软件。地源热泵最大的缺点是其地埋换热器的初投资较高，因此对地埋换热器的结构进行优化设计，成为降低地埋换热器成本的重要途径。对于地埋换热器，其整个传热工程实际上是一个复杂的非稳态的传热工程，比如土壤的热物性、含水量、土壤温度、埋管材料、管子直径、管内流体的物性、流速等都对地埋换热器的传热产生影响。在考虑热短路这个问题上，有许多学者注意到了这个影响。山东建筑工程学4 华中科技大学硕士学位论文院的方肇洪[8]利用地热换热器传热模型及设计软件，对竖直U型埋地换热器两支管间的热量回流现象进行了分析，得出当管间距一定时，回填材料导热系数大的材料有利于减小支管间的热量回流。支管间距越大，对减少支管间的热量回流效果越好，并研发一种地热弹簧装置[8]，该装置可以把U型管的两个支管撑开，从而使两管的间距保持在较大位置。QiangZhang[9]考虑一种减少热短路的方法，即在两支管之间增加一个隔热板，模拟结果表明，增加隔热板后两支管的总换热量改变不大，并不能明显减少两支管之间热短路的影响。张虹[10]引入换热器热效率ε概念，建立地埋管周围的瞬时有限元模型来研究U型管两支管间的热短路现象，得出换热器热效率ε在回填材料导热系数较低时（0.782-1.60W/(m・℃)），间距对ε影响很大，当回填材料导热系数较高时（分别取8.65W/(m・℃)和1000W/(m・℃)），间距对ε影响很小，但由于采用的是二维模型，无法全面反应流体温度在纵向长度上的温度变化，无法精确考察热短路现象。宋小飞[11]利用CFD对地源热泵U型管地下换热器系统做了数值模拟，结果表明随回填材料导热系数增加换热器的换热效率增大，而且支管间距和回填材料导热系数对换热器效率的影响是很复杂的非线性关系，当钻孔深度超过80m时，两支管的温升比急剧增加，支管间的热损失加剧。当回填材料导热系数低于土壤导热系数时，增大回填材料导热系数，换热器热效率增加很快，反之，回填材料导热系数的增加导致的换热器效率的增加减缓了。Muraya[12]认为提高回填材料的导热率可以强化埋管的换热效果，但同时也增加了U型管两腿的热短路损失，在一定的条件下，回填材料的导热系数为1.73W/(m・℃)时，比较理想。由于地下换热器的传热过程涉及到物理模型很复杂，涉及到因素也很多，现有的各种设计计算方法得出的结论往往相差很大，而且在短时期内难以形成共识。对地源热泵U型管地埋换热器的研究，在工程上国内外常用是一维的线热源模型和柱热源模型[13-15]，由于它们分别把U型管等价为一线热源和圆柱型热源，这样的简化只有对于真正的这两种热源才完全正确。由于U型管两支管传热是不对称的，这两种方式的简化处理虽然可以使问题大为简，但却无法准确描述U型管的传热情况，也就无法更好的研究形响它传热效率的因素。从这两种理论的研究结果中可以看出来，模拟的结果无一例外的无法反映地下换热器运行初阶段的温度变化，所得的结5 华中科技大学硕士学位论文果都要在系统运行较长的时间后才符合工程精度的要求。其中使柱热源理论所得的结果在精度方面要优于使用线热源理论的[16-17]。这是由于柱热源理论把热源施在等效管或者钻孔的壁面上，与实际情况比较吻合。除了线热源和柱热源理论以外，还有基于能量平衡原理的数学模型。这些模型考虑U型管形状、回填材料、U型管材料，有的甚至考虑地下水迁移等因素的影响，建立比较复杂的模型，并使用结合解析和数值方法求解。或者通过把求解区域划分为不同的部分，针对各个部分传热的特点使用不同的方法求解。数值求解的方法随着计算机的发展而越来越被重视，这是因为它的适应性比较强，可以处理复杂的边界条件以及几何形状。但它的缺点是需要很大的计算量。虽然随着计算机的发展，计算量的矛盾在一定程度上得到缓解，但是它还是更适用于求解U型管短时间运行的情况。综合来看，现有的模型基本都能够模拟U型管地下换热器的传热情况，并各有优缺点。基于线热源或者柱热源理论的模型都无法求解小时间间隔负荷波动引起的温度变化，因此无法模拟系统开始运行阶段的情况,大多基于能量平衡原理的模型都没有把U型管内流动的对流换热和管与周围介质的热传导进行直接的耦合求解，或者只是利用简化U型管的方式实现一定程度的与土壤耦合传热，无法准确了解地下换热器传热的整体情况，而且多为二维的模型，大多只求解周围土壤的温度变化情况，对于沿U型管内流体的温度变化无能为力，也就无法反应热短路现象，随着计算机技术的推广普及和计算方法的新发展[18]，计算机模拟仿真已经深入到应用科学技术的各个领域，显示出了巨大的社会效益和经济效益。计算流体力学(CFD)技术几十年来也取得了蓬勃的发展[19～23]独特的优点，比如成本低、周期短，能获得完整的数据，克服了传统的实验方法，实验系统规模大、实验历时长、实验结果有地域性限制等问题。能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，对于设计、改造等商业或实验室应用起到重要的指导作用，目前CFD技术在工程领域已得到了广泛的应用。对某一特定的地埋换热器，它的工作年限取决于数年内在钻孔周围提取热量或排放热量的能力，以及周围是否有过多的热量积6，由于数值模拟相对于实验研究有很 华中科技大学硕士学位论文聚或散失。在工程中要求地埋换热器的模型能够快速精确地进行计算，而且能够计算在长时间内的瞬态温度响应。而热短路现象随着冷热堆积的积累而加剧，需要长时间的监测。因此，用FLUNT作模拟，在这方面是很有优势的。本文目前已经利用FLUENT软件做出了关于地源热泵热短路问题的二维模拟，下面简要介绍一下：（1）模拟基本参数针对热短路现象，考虑在两支管之间增设一个隔热板以图减小进水管对出水管温度的影响。考察夏季工况下单U型竖直埋管系统的传热问题，设置的基本参数如下表：表1.1模拟计算的基本参数参数名称钻孔直径/mmU型管外径/mm管壁厚/mmU型管两支管中心距/mm系统初始温度/K土壤导热系数/(W/m・℃)管(PE管)壁导热系数/(W/m・℃)回填材料导热系数/(W/m・℃)隔热材料导热系数/(W/m・℃)进出口水温温差（℃）数值1103264028810.351.570.15（2）模拟结果与分析图1.2给出了当△t=5℃时，土壤导热系数λ=1，初始温度为288K.采用常用回填材料（λ=1.57）时的温度分布曲线及局部放大图，说明了温度的一般分布。图1.3可知两管之间的温度梯度均匀，两管之间通过回填材料有较明显的换热。图四在加了隔热板之后，在隔热板的两边的左边出现一个较大的温度梯度，隔热板7 华中科技大学硕士学位论文对两管之间的换热起到了阻碍作用。图1.2图1.3局部放大图（无隔热板）温度分布曲线图图1.4局部放大图（有隔热板）由于不同回填材料在有无隔热板的情况下对换热有影响，故对有隔热板和无隔热板的模型进行48小时以上的模拟计算，得到两管和土壤之间的总换热量如图1.5,考虑到回填材料的导热系数增大，热短路对换热的影响更明显。故选取比常用回填材料导热系数大一倍的回填材料，再次进行模拟计算，得到总热流量曲线如图1.5。8 华中科技大学硕士学位论文图1.5常用回填材料热流量曲图1.6λ=3.14的回填材料热流量曲从图1.5和图1.6可以看出在利用常用回填材料和导热系数较大的回填材料在有无隔热板的情况下U型管的两管对外换热的总热量变化不大。出现以上情况有可能是虽然回填材料本身的导热系数相对于隔热材料的导热系数较大，但其本身的导热系数较小，加上土壤初始温度的影响。所以加隔热板的换热在短时间内看不很明显的效果。但随着时间的增加，出水管的热流量由正值变为负值，表明进水管对出水管的热短路现象明显，当增加两管之间的热阻即加隔热板后，可以减小进水管对出水管的影响，提高出水管的换热效率，如图1.7。（3）总结图1.7常用回填材料进出口热流量曲线9 华中科技大学硕士学位论文通过在两管脚间增加一个隔热板，可以减少进水管对出水管的影响，有无隔热板的情况下U型管的两管对外换热的总热量变化不大，这是因为增加隔热板后，一方面减弱了两支管的热量传递，另外一方面也阻隔了两支管对周围回填材料与土壤的传热，降低了传热的效率，从总的热量来看，增加隔热板之后并没有改善传热效果，换句话说，热干扰仍然存在。另外一个原因是钻孔尺寸相对于土壤边界尺寸来说是非常小的，因此热干扰发生在钻孔外部。总之，在两个管脚之间增加一个隔热板不能干扰热传递过程，也不能加强它。由于减少了热传递面积的影响面积，增加隔热板改变了每个管的相对贡献，但是仅仅改变一点点总的热量，总经济和工程前景方面考虑，隔热板是不值得推荐的。从以上的二维模拟结果可以看出，热短路现象是存在的，但在实际情况下，传热问题更为复杂。更为准确详细的研究必须在三维传热的数值计算给出结果。1.4本文研究的主要内容地源热泵地埋换热器在岩土层中的换热是一个长时间的、三维大空间内的非稳态过程，现有的模型多为二维或者等效管模型，通过给定钻井壁恒定温度或恒定热流来求解长时间（几年、数十年）内土壤的温度变化。而实际过程中钻井壁的温度和热流密度都是随着时间变化的，这样的假设导致现有模型无法精确地模拟换热器的瞬态工况，从而无法得到进出口流体温度的实时变化情况，另外，多数模型只考虑了土壤沿径向的导热而忽略了其沿深度方向的导热，忽略了U型管两管之间的传热而无法考虑支管之间的热干扰现象，忽略了热短路对地埋换热器换热性能的影响[24-25]本文利用CFD软件对竖直地埋换热器进行三维数值模拟研究，通过模拟研究考察热短路现象对地埋换热器的影响。课题的研究内容主要包括：第二章建立竖直地埋换热器三维模型，介绍了使用FLUENT模拟的详细步骤，包括绘制几何模型的步骤、划分网格的方法、边界条件的初步定义，在FLUENT里面定义边界条件、定义材料参数、求解器进行各种设置、求解模型进行选择；第三章详细分析了热短路现象对U型管换热性能的影响，包括回填材料、钻井深度、流体流速不同以及地埋换热器连续运行与间歇运行方式下，热短路对换热的影响大小，并通过单位井深换热量及换热能力丧失系数来衡量其大小。10。 华中科技大学硕士学位论文第四章用单位井深换热量成本和水泵功耗成本两个指标来衡量热短路现象对整个换热器投资成本及运行成本的影响。第五章提出改进热短路影响的一些方法，并利用CFD软件对其运行情况做模拟。试图提出一些方法，以增加管脚间的传热热阻，降低热短路对地埋换热器换热能力的不良影响。第六章对全文内容进行了总结，并提出了进一步研究和展望。11 华中科技大学硕士学位论文2竖直地埋换热器三维流动与传热数值模拟方法随着地源热泵运行时间的增长，两支管之间的热短路现象越来越明显，在冬季工况下，进口水温将使出口水温温度降低，但是降低的幅度与回填材料、两管间距、埋管长度、进口温度、水流速度等因素密切相关。为了详细研究这些因素的影响，需要对竖直地埋换热器的三维流动与传热进行深入了解，为此本文利用大型通用CFD软件对其三维流动与传热进行详细的数值模拟研究。通过模拟计算可以得到进出口水温的温度分布以及热流量分布曲线，为改善土壤冷热堆积、提高换热效率奠定基础[26-27]。2.1数值计算U型管流动传热过程的基本步骤下面是用FLUENT及其前处理软件GAMBIT进行数值计算的基本步骤：（1）建立控制方程。流体流动都要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。控制方程是这些守恒定律的数学描述；（2）确定边界条件与初始条件。初始条件与边界条件是控制方程有确定解的前提，控制方程与相应的初始条件和边界条件的组合构成对一个物理过程完整的数学描述。初始条件是所有对象在过程开始时刻各个求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律，对于任何问题，都给定边界条件。对于初始条件和边界条件的处理，直接影响计算结果的精度，他们的具体设定将在后面详细介绍；（3）划分计算网格。采用数值方法求解控制方程时，要想办法将控制方程在空间区域上进行离散，然后求解得到的离散方程组。网格的好坏直接影响到计算结果；（4）建立离散方程。对控制方程进行离散，形成离散方程。离散方法主要有三种：有限差分法、有限元法、有限体积法。本文使用的FLUENT软件是基于有限体积法；12 华中科技大学硕士学位论文（5）离散初始条件和边界条件。刚开始给定的初始条件和边界条件都是连续性的，现在需要针对特定的网格，将连续的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值，用FLUENT进行计算时，由于在GAMBIT中已经完成了网格划分，所以可以直接在边界上指定初始条件和边界条件，软件会自动将这些初始条件和边界条件按离散的方式分配到相应的节点上去；（6）给定求解控制参数。在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条件和边界条件后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数等，另外，还要给定迭代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长等；（7）求解离散方程。这一步FLUENT软件会自动完成，本文中只需要选择求解器即可；（8）判断解的收敛性。对于稳态问题的解，或是瞬态问题在某个特定时间步上的解，往往需要通过多次迭代才能得到。在迭代前，在FLUENT中指定精度，迭代过程中，要对解的收敛性随时进行监视，并在系统达到指定精度后，结束迭代过程；（9）现实和输出计算结果。通过上述求解过程得出了各计算节点上的解后，需要通过适当的手段将整个计算域上的结果表示出来。本文用FLUENT输出结果，用EXCEL作后期处理。2.2假设条件由于U型竖直埋管地下换热器的几何形状和土壤传热的复杂性，为了减少网格数量和降低计算的难度，所以要进行必要的简化．同时，为了保持所得结果的精度符合工程要求，作如下假设：（1）不考虑管内流体横向的热量传递，认为流体在横截面上的温度一致。U型管支管直径通常很小（25mm），因此可以认为流体在横截面上的温度是一致的。作此假设的目的是避免求解复杂的动量守恒方程，只求解流体沿流动方向上的温度变化情况而非其流动情况，大量节省计算机求解时间。（2）忽略地表温度波动以及埋管深度对土壤温度的影响，认为土壤温度均匀一致，13 华中科技大学硕士学位论文初始阶段为当地的年平均气温。已有的研究表明，地下约5米以下的岩土温度基本不受地表温度波动的影响，本文建立的模型中钻井队深度为120米，因此，作此假设是可行的。（3）岩土和流体的热物性参数保持不变岩土的热物性在U型埋管换热器运行过程中会有变化，如导热引起的水分迁移，但其影响不大。M.Piechowski认为土壤初始含湿量远大于临界含湿量的地区，换热模型可以不考虑水分迁移造成的岩土的热物性变化及其对传热的影响。而且就目前而言，要建立综合考虑热、湿迁移的换热模型还存在一定的难度，因此假设岩土的热物性保持不变，忽略土壤中水分迁移的影响。另外，U型地埋换热器流体的进出口温差一般为5℃左右，可以认为流体在整个流动过程中热物性参数保持不变，如密度、热容、导热系数等。（4）忽略U型管管壁与回填材料、回填材料与土壤之间的接触热阻这一假设很大程度上取决于施工工艺。地源热泵发展的早期采用的是钻井后挖出的岩土直接回填，这种岩土被挖出来之后其原来的结构、形状被破坏，很容易造成管壁与回填材料、回填材料与土壤之间产生缝隙。而这些缝隙的存在加大了热阻，对换热器的运行造成不利的影响。最近十几年国内外的研究者致力于改进回填材料的性能，采用新型的回填材料对改善换热器的换热效果有很大的影响，这些新型的回填材料导热系数搞，并且能保证管壁与回填材料、回填材料与土壤之间接触良好，使接触热阻降到最低。（5）不考虑地下水流动对换热器的影响[26-27]地下水的运动有可能对地埋换热器的性能产生比较显著的影响，但地下水的运动非常复杂，牵涉到地质学、传热学等多学科，一直是研究的难点。利用线性源理论为基础，考虑地下水对单个竖直地埋换热器的影响，认为一般情况下局部地下水的运动对地埋换热器的影响是可以忽略的。Chiasson利用二维有限元法建立了地下水流动、传热传质模型并得出结论，只有在地质材料为导热系数比较高的沙、岩石时地下水的运动才会对地埋换热器的换热产生比较显著的影响。另外，在我国很多地区，当地的地质条件也决定了地下水不可能有很明显的地下水流动。14 华中科技大学硕士学位论文地下水的流动是一个复杂的多孔介质中的传热、传质过程，现阶段建立同时考虑导热与地下水流动的三维地源热泵U型地埋换热器比较困难，因此本文不考虑地下水的流动。(6)钻井与钻井之间距离足够大，忽略孔与孔之间的传热[28]工程中钻井之间的距离一般都在6m左右，即单个钻井队允许热作用半径为3m，能保证换热器连续运行1个月左右。在GAMBIT建模时，土壤的直径为3m，因此，钻井与钻井之间的热干扰可以忽略不计的。2.3控制方程地源热泵竖直地埋U形管与土壤的传热过程包括以下几部分:U形管中水之间的对流换热;水与管壁之间的对流换热;管壁中的导热:管壁与回填土的传热;回填土中的传热;回填土与土壤的传热和土壤中的传热。U形管中的水在热泵运行时是靠水泵强制循环的，因此水与管壁之间是受迫对流换热;在热泵停止运行时水基本是静止的，此时水与管壁之间是自然对流换热。土壤和回填土是以固体物质为主，其中含有一定水分的多孔介质。因此土壤和回填土中的传热包括热传导与热对流，在传热的同时发生水份迁移，是传热和传质相耦合的过程。热泵开始运行后，管壁、回填上和土壤温度依次发生变化。随热泵运行时间推移受到影响温度改变的土壤范围不断增大，而已经受到影响的土壤的温度场也在随时间发生变化，地埋U形管与土壤的传热过程是非稳态传热。由于U型管地下换热器中流体的流动一般都处于湍流阶段，要想准确模拟其三维流动特性，必须采用适当的湍流模型进行模拟。因此在进行CFD模拟时，选用了k—ε双方程模型来解得水管中水的流动和传热的控制方程，并将能量方程与回填土和土壤中的传热过程耦合起来。U形管内的水是不可压缩流体，热泵运行时水的受迫流动换热可以用连续性方程(2-1)，动量方程(2-2),和能量方程(2-3)来描述[29-32]:连续方程：∂ñ∂t+∇(ñu)=015(2-1) 华中科技大学硕士学位论文动量方程：能量方程：∂ñu∂t+∇(ñu×u)−∇(µefff∇u)=∇p+∇(µeff∇u)T+b(2-2)湍动能方程：∂(ñh)∂t∂t(2-3)∂(ñk)∂t湍动能耗散率方程：µók(2-4)∂(ñå)∂tµåókk(2-5)回填土和土壤中传热的控制方程：ñsc∂T∂t=∇(ë∇T)(2-6)式中，x，y，z——直角坐标系的三个坐标方向，m；u,v，w——三个直角坐标方向的流速，m/s；a——热扩散系数，m2/s；ρ——流体的密度，kg・m-3；t——时间，s；u——速度矢量；µeft——有效黏性系数，Pa・s；P——流体的压力，Pa；b——源项；h为流体的焓，J・kg-1；qr——化学反应热和其他体积热源的源项；k——湍流脉动动能；µ——流体的黏性系数，Pa・s；16∂pµt−+∇(ñuh)=∇[(µ+∇h)]−qr+∇(ñuk)=∇[(µ+t)∇k)]+Gk+Gb−ñå+∇(ñuå)=∇[(µ+t)∇å)]+(cå1Gk+cå2ñå) 华中科技大学硕士学位论文µt——湍流黏性系数，Pa・s；ε——湍流脉动动能耗散率；σT，σk，σε，Cε1，Cε2——常数；ρs——回填土或土壤密度，kg・m-3；c——回填土或土壤的比热容，J・kg-1・K-1；T——回填土或土壤温度，K；λ——回填土或土壤的热导率，W・m-1・K-1。管壁中的传热是纯导热，土壤和回填土虽然是多孔介质，但传热传质耦合模型与纯导热模型精度近似，因此本文认为土壤和回填土为固体，其中的传热为纯导热。可以用以下导热微分方程描叙:∂T∂t=a(∂2T∂2T∂2T∂x2∂y2∂z2)(2-7)2.4数值模型的建立竖直U型地埋换热器就是在地层中垂直钻井（井的深度一般为20-200m，钻井直径一般为100mm-150mm），然后将U型塑料管垂直插入钻井之中，最后将回填材料灌入钻井。回填材料一方面是使U型管与钻井壁紧密接触，以增强换热器与土壤的换热；另一方面是防止地表水通过钻井向地下渗透而污染地下水，同时也防止各个蓄水层之间的交叉污染。在地源热泵工程中．U型管内径通常为26mm．管内流速通常在0．25～1．2m／s．水的热物性参数随温度变化。若地源热泵在冬季工作，U型管内平均水温设定为5℃，水的运动粘度为1．499x104m2／s．U型管内流动的雷诺数约为4167～20000。U型管内的流动明显是紊流。模拟U型管内紊流对精确模拟水与U型管内壁对流换热是很重要的。本文使用低雷诺数k一ε模型精确模拟U型管内紊流[33]。紊流模型的参数在FLUENT中设置。17++ 华中科技大学硕士学位论文2.4.1模型的几何模型示意图U型管、回填土和土壤中的传热被视为三维热传导。通过GAMBIT画出了数值模型的几何形状并在其中布置网格。由于地埋换热器是传热是对称的，故为了节省计算时间，在建模时将地埋换热器的几何模型沿管井中心线切开，取其一半进行计算。图2.1是单U型地埋换热器模型的几何形状示意图。为了便于观看，图形没有严格按照实际的尺寸比例画。图2.1地埋换热器的立体图地下传热系统的几何形状以一个竖直面而左右对称，图2.1中的模型是传热系统对称几何形状的一半。U型管在竖直方向上分2层，在每层中有代表流体、U型管、回填土和土壤的不同部分。这种划分把模型分为10个块，这有利于在数值模型中设置网格。网格将分别设置在这10个块中。2.4.2模型的网格划分三维数值模拟研究中，计算网格的划分也是一个重要而且棘手的问题，高质量的网格是实现数值模拟的重要步骤，网格过于稀疏或过于密集都会对计算产生直接的影响。网格过于稀疏会使计算结果不精确，在一定情况下还会导致计算不收敛，网格过于密集不仅使计算量大幅度增加，而且对计算机的硬件要求也较高。在CFD18 华中科技大学硕士学位论文计算中一般都是对微分方程的近似求解，为使求解结果更接近于实际，网格的数目应足够大到随着网格数目的增加计算结果不再有明显的变化为止。在满足网格足够密的条件下，应该尽量减少计算量，提高计算收敛的稳定性，提高计算收敛的稳定性，在梯度（速度梯度，温度梯度）变化大的位置，应保证网格足够细密，尽量减小网格单元的倾斜度和梯度小的地方的网格数。本文研究的竖直地埋换热器的长度为80m、120m，钻孔半径为0.11m，土壤半径为1.5m，属于细长的几何体，流体在竖直方向上变化很小，因此在此层中竖直方向上的流体节点间距均匀且较大，取1m为一个节点。由于几何体形状的不规则性，把几何体模型按照图二那样分成几个块，对每个块进行网格的划分。在底层的流体通过半圆环形路径改变流动方向。沿着半圆环形路径在流体和U型管上应加大节点的个数，太稀疏的节点间距不能精确模拟流动，而且不易生成良好的网格质量。几何体各个水平截面上的网格划分如下图所示：图2.2水平面上水管的网格划分图2.2是水管在水平面上的网格．流体网格在靠近管壁处密集，这有利于精模拟水与U型管之间的对流换热。在内管壁采用边界层网格划分，内径取10个节点，取9层边界，以递增系数1.4向管中心划分，最后对管面使用“Quad/Ti”进行“Map”网格划分，再进行体划分。19 华中科技大学硕士学位论文图2.3水平面上回填材料网格划分图2.3是回填材料区域内的水平面网格。由于回填材料内含有两根水管，形状极不规则，故使用“Tri”进行面的网格划分，最后进行体划分。图2.4水平面上土壤网格划分图2.4是土壤区域水平截面上的网格。模型中，在径向上通过单位面积的热流20 华中科技大学硕士学位论文量从里向外减少。所以温度梯度也减小。为了适应这种趋势，在图4中从土壤外边界到土壤与回填土的交界，径向节点划分为20份，间距依次递增。2.4.3边界条件的定义在GAMBIT中的“zones”工具箱可以对建立的几何模型定义区域类型和边界类型，为后面在FULENT中的计算做准备。由于本文要用FLUENT6.2进行计算，所以在GAMBIT中选择“solver-FLUENT5/6”，即选定求解器为FLUENT5/6，这样做GAMBIT中就可以定义FLUENT6.2所支持的区域类型和边界类型。首先定义管内流体的区域类型为“FLUID”，管材、回填材料、土壤区域均定为“SOLID”。U型管进口inlet设为恒定温度的流体流过，定义为VELOCITYJNLET，在FLUENT里面将要进一步定义水温和流速。出口outlet为充分发展流动，选择OUTFLOW边界类型。对称面在GAMBIT中定义为对称条件SYMMERY类型的边界，这表示任何参数的梯度在此断面上为零。土壤最外径向extern和底部down认为是无限远处，定义为相同边界条件的WALL，即壁面形边界条件，竖直方向上的顶面除了U型管的进出口外还有管壁、回填材料和土壤的顶面，这几个统一命名为up，定义为WALL的边界条件。定义了以上边界条件后，就可以用“FILE-EXPORT-MASH”输出网格文件，以便从FLUENT里面读出来。当FLENT将mash文件读出来以后，首先check网格，看有没有负体积，如果有负体积，说明网格划分有问题，应该重新划分。检查无误后对网格进行一定的优化，只用“Grid-smooth/swap”命令对网格进行平滑，直到出现“Numberfacesswapped”为零为止。另外由于在GAMBIT中是以毫米为单位绘制的几何模型，而FLUENT内部储存网格的长度单位是米，所以还要用“Grid-Scale”命令对网格进行定义。接下来定义求解器“solver”，因为是非稳态流，故选择“Unsteady”，选择能量方程EnergyEquation，因为U型管内的流动是紊流，故在ViscousModel里面选择k-epslion。下一步定义管内流体、管材、回填材料、土壤的热物性，下表为模拟计算的一些基本参数：21 华中科技大学硕士学位论文模拟计算的基本参数参数名称钻孔直径/mmU型管外径/mm管壁厚/mmU型管两支管中心距/mm系统初始温度/K土壤导热系数/(W/m・℃)管(PE管)壁导热系数/(W/m・℃)回填材料导热系数/(W/m・℃)钻孔深度/m管内流量/(m/s)数值140326402901.50.352/4/1080/100/120/2000.2/0.4/0.6/0.8U型管内的水、U型管、回填材料和土壤这四个几何体的交界面不属于三类边界条件中的任何一种：不知道边界上的温度分布，也不知道边界上的热流分布，更不知道壁面温度与热流密度间的关系，所以它们的热边界条件无法预先规定，而是受到流体与壁面之间相互作用的制约。这时无论界面上的温度还是热流密度都有应该看成是计算结果的一部分，而不是已知条件，事实是本文所要求解的正是这些界面上的热流密度。文献[]把这种由热量交换过程动态地加以决定而不能事先规定的边界称为耦合传热边界（conjugateheattransferwall）。在前面建立模型时已经把交界面处的两个面连接成了一个双面，在FLUENT中会自动地为这个面定义为“couple”类型的边界条件，无需改变其类型，FULENT在计算时会把它当成耦合传热边界条件进行计算。2.4.4时间步长的设置因为U型管尺寸较大，划分网格较多，在保证计算精度的前提下，时间步长⊿t22 华中科技大学硕士学位论文设置为300s，每个算例迭代次数可自由选择。2.5本章小结本章首先介绍了U型管流动传热的详细步骤，然后说明了建立U型管三维模型的假设条件及简化条件的原因，介绍了U型管几何模型建立的方法及其网格划分，又重点说明了数值计算时边界条件的确定方法并列出了部分模拟计算的基本参数。建立了一个用FlUENT模拟计算地源热泵U型管传热模型的详细脉络。23 华中科技大学硕士学位论文3系统热短路及其改善方法模拟与分析热泵系统启动阶段，从冷凝器过来的冷水开始进入U型管与土壤进行热量交换。整个换热是一个多层介质的非稳态导热过程，进入U型管的流体首先与管壁进行对流换热，然后热量通过管壁、回填材料、土壤层层传导，最后散失在土壤中。对于U型地下埋管换热器而言，在同一深度，两管均保持着一定的温度差，埋管底部的温差为零，沿着管越往上温差越大，进出口水温差最大，并且进出水管之间的距离较近，因此导致了埋管不仅与周围的土壤进行热传导，而且两管间也同时发生热传导，从而引起了热损失，这种现象被称为“热短路”。由于热短路，在制冷工况下，使出水温度高于理想的出水温度；在供热工况下，使出水温度低于理想的出水温度，这都会导致地下埋管换热量减少，降低系统的换热效率。如何降低热短路的影响成为一个设计者重要的考虑方向[34]。本章通过已建立的U型地埋换热器三维模型对冬季工况下的地源热泵热短路进行实时仿真，借助流体力学软件FLUENT的输出功能将结果进行展示，并归纳总结，期望对竖直U型埋管热短路现象做深入分析研究，为地源热泵的运行性能的研究提供具有参考价值的数据。3.1管脚间热短路模拟结果钻井深度、回填材料、流体流速等都是热短路的一个影响因素，它们之间的耦合作用直接关系到热短路影响的大小，下面考察钻井深度、回填材料、流体流速对换热的影响，并引入两种评价热短路影响大小的指标：（1）换热能力丧失系数在冬季工况下，当出现热短路的时候，出水管会被进水管冷却，换热能力减弱，本文以换热能力丧失系数作为衡量热短路损失大小的指标，即出水管的得热量与进水管的得热量之差与进水管的得热量，定量地分析在热短路下，出水管换热能力减弱的程度。换热能力丧失系数越大，说明热短路现象越明显，短路热损失越大。换热能力丧失系数的定义为：24 华中科技大学硕士学位论文Cs=Qin−Qout(Tout−Tbottom)Qin(Tbottom−Tin)(3−1)其中：Tin——埋管内流体进口温度，K；Tout——埋管内流体出口温度，K；Tbottom——埋管底部的流体出口温度，K。（2）单位井深换热量单位井深换热量是地源热泵设计中最重要的参数，从其变化情况可以很直观地考察地埋换热器的换热性能[35-37]，也可以直接反应出热短路影响的大小。热短路影响越大，单位井深换热量越小。地源热泵U型地埋换热器单位井深换热量的定义如下：ql=2H（3-2）其中：q——单位井深换热量，W/m;ρ——管内流体的密度，kg/m3;Cp——管内流体的比热，J/kg・℃;r——管内半径，m，u为流速，m/s;Tfin——埋管内流体进口温度，K;Tfout——埋管内流体出口温度，K;H——钻井深度，m。3.1.1钻井深度的影响地源热泵的深度一般为30m～120m不等，钻井的直径多为100mm～150mm。单个钻井的换热量在1.8KW～7KW，取决于钻井的深度以及当地地质条件等多个因素。钻井的费用一般占整个初始投资的三分之一左右。可见，钻井费用是相当高的，使整个地源热泵系统的初投资大大超出了传统的制冷、供热设备，成为制约地源热泵推广应用的最大障碍。25=1−Cpñðru(Tfin−Tflet) 华中科技大学硕士学位论文但是地源热泵钻井深度并非越大越好，下面是回填材料为2W/m・℃，流速为0.4m/s时，钻井深度为80m、100m、120m、200m，在地埋换热器运行184小时后，考察其进出水管管内断面平均水温、换热能力丧失系数、单位井深换热量曲线图。28428328228128027927827727627580100120200050100150200井深（m）图3.1不同钻井深度下进出水管管内断面平均水温0.90.80.70.60.50.40.30.20.16080100120140160180200220井深（m）图3.2不同钻井深度下换热能力丧失系数26温度（k）换热能力丧失系数 华中科技大学硕士学位论文353025201510简要说明：当钻井深度越深时，出口水温与流体最高温度相差越大，热短路影响越大；换热能力丧失系数越大，短路热损失越严重；而单位井深换热量减少，换热量降低。故井深不是越大越好，既增加投资，热短路损失也严重，换热6080100120140160180200220效率也降低。井深（m）图3.3不同钻井深度单位井深换热量从图3.1可以看出，进出口水温差随着井深的加大而增大，这是因为随着井深加深，管内流体与土壤的换热时间加长，换热更充分。但是进出口温差增加的幅度随管长的增加，比管长的增加幅度低，例如，钻井深度为100m时，比80m的进出口温差增加22%，深度增加25%；钻井深度为120m时，比80m的进出口温差增加37%，深度增加50%，钻井深度为200m时，比80m的进口水温差增加88%，深度增加125%。但是随着钻井深度的增加，换热能力丧失系数增加，并且增幅很大，当钻井深度为100m时，比80m的换热能力丧失系数增加6.9%；钻井深度为120m时，比80m的换热能力丧失系数增加18.1%；钻井深度为200m时，比80m的换热能力丧失系数增加81.8%。说明当深度越深，出水管的换热效率减低，换热能力丧失越大，热短路影响越大。从各个钻孔深度的单位井深换热量曲线图也可以看出，随着钻孔深度增加，单位井深换热量呈递减趋势，比如100m时为29.9W/m，比钻孔深度为80m少3%，当管深120m时为29.2W/m，比钻孔深度为80m少8.7%，特别是到了很深深度200m的时候，热短路现象很明显，即在65m左右时，出口温度不再增加，反而下降，被进水管低温流体冷却，大大降低了换热效率，故单位井深换热量比8027单位井深换热量（w/m） 华中科技大学硕士学位论文m的少了17.7%，说明换热效率已经大大降低。因此钻孔深度并不是越大越好，一方面钻孔费用增加，一方面当管间距一定时，钻井越深，热短路现象影响越大，换热性能减弱。3.1.2不同回填材料的热短路影响回填材料的作用有两方面，一方面是U型管与钻井壁紧密接触，以改善换热器与土壤的换热，另一方面是防止地表水通过钻井向地下渗透而污染地下水，同时也防止各个蓄水层之间的交叉污染。回填材料对埋管换热器的影响在地源热泵系统的早期研究中并没有得到重视，直到90年代国际上才开始加大这方面的研究力度，并取得了很大的进展。早期的地源热泵一般采用钻井挖出的泥土回填。由于钻井直径小，施工难度大，用这种方式回填的钻井很容易存在间隙（管壁与回填材料之间，回填材料与土壤之间），使U型管无法与回填材料紧密地结合在一起，增加了接触热阻，对换热器的负面影响是巨大的，后来的研究发现回填材料的重要性不仅在于减小接触热阻和防止地下水的腐蚀，更重要的是导热系数高的强化换热型回填材料能够很大程度上提高换热器的换热能力。回填材料最为重要的作用是使U型管与钻井周围的岩土紧密接触，将循环流体的热量传入岩土层，所以钻井的换热能力会随着回填材料导热系数的增加而不断提高。但回填材料导热系数并不是越高越好，这是因为：钻井的直径毕竟非常小，一般的钻井直径为110mm～150mm，而长时间运行的地埋换热器其热扩散半径可以达到3m以上。流体传入地下的热量最终还是要通过岩土扩散到无限远处，回填材料的作用仅仅是一个用于传热的中间介质，其导热作用是有限的，所以其导热系数增大到一定的数值后再增加对改善钻井的换热能力的作用就有限了。而且随着时间的推移，进出口之间的温差在减少，进口水温对出口水温的影响逐渐加大，在冬季运行工况下，进口流体反而会使出口流体的温度下降，使换热效率降低。当深度较深时，热短路现象的影响不容忽视，而回填材料作为连接进口流体传热之间的桥梁，其特性更为值得研究，当回填材料导热系数较高时，一方面会提高管内流体与土壤的换热能力，一方面也会加剧热短路现象。图3.3以120m的竖直地埋换热器为例，取回填材料分别为2W/m・℃、4W/m・℃、10W/m・℃，流28 华中科技大学硕士学位论文速为0.2m/s时，运行14天后，考察进出水管管内断面平均水温、换热能力丧失系数、单位井深换热量曲线图化。286285284283282281280279278277图导热系数为4导热系数为2导热系数为10020406080100120140深度（m）3.4不同导热系数下进出水管管内断面平均水温1.210.80.60.40.20024681012回填材料导热系数（W/m・℃）图3.5不同导热系数下换热丧失系数29温度（K）换热能力丧失系数 华中科技大学硕士学位论文5045403530252015105简要说明：从左图可以看出，当回填材料导热系数越大时，出口水温与流体最高温度相差越大，热短路影响越大；换热能力丧失系数越大，短路热损失越严重。故回填材料导热系数不是越大越好，虽然单位0024681012井深换热量增加了，但是回填材料导热系数（W/m・℃）热损失较为严重。图3.6不同导热系数下单位井深换热量从图3.4可以看出，当回填材料导热系数增加时，出口水温增加，但是随着回填材料的增加，热短路现象开始出现，考虑极限情况，当回填材料导热系数为10W/m・℃时，在距出口管52m的地方，出口流体水温开始下降，为284.8K，比出口水温高0.6K，换热效率降低；当回填材料导热系数为4W/m・℃时，在距出口管35m的地方，出口流体水温开始下降，为284.1K，比出口水温高0.2K；当回填材料导热系数为2W/m・℃时，距出口管15m的地方，出口流体水温开始下降，为283.9K，比出口水温高0.02K,说明换热效率比较高，受到热短路影响较小。这是由于当间距一定时，回填材料的导热系数越大，换热量增加，虽然能促进U型管与周围土壤的换热，但是进水管对出水管的影响更大，大大降低了换热效率。图3.4和图3.5表明了换热能力丧失系数与单位管长换热量随回填材料不同时的变化。可以看出，单位井深换热量随着回填材料的增加而增加，回填材料从2W/m・℃增加到4W/m・℃时，单位井深换热量增加了21.8%，换热能力丧失系数增加13.3%，当到了极限情况回填材料为10W/m・℃时，单位井深换热量增加了69%。换热能力丧失系数增加32.1%。虽然单位井深换热量增加了，但是热短路损失比较严重。故回填材料并非像有些学者所说对换热的影响是单一的，回填材料与钻孔间距、钻孔深度及土壤导热系数有着复杂的耦合关系。支管间距对地埋换热器的换热性能30单位井深换热量（W/m） 华中科技大学硕士学位论文影响是单一的，即支管间距越大，单位管长的换热量就越高。但是回填材料与钻孔深度并非越大越好，这就要求地埋换热器的设计者在设计中综合各个因素，特别是考虑支管间距及钻孔深度，当支管间距比较小时，增大钻孔深度并不能相应提高很大的换热量，反而深度越深热短路现象越明显，换热器换热效率降低。采用高性能的回填材料虽然会增加一定的成本，但却大大地提高了地埋换热器的性能，减少了地埋换热器的钻孔长度，从而大大节省了钻孔埋管的成本。特别是对于那些设置在坚硬地层（如岩石）中的地埋换热器，岩层的导热系数大，而单位深度的钻孔费用高，采用高性能的回填材料可以明显地降低地埋换热器总体成本，也同时可以加大了运行中循环泵的功耗。但是回填材料并非越大越好，虽然现在许多回填材料的导热系数并未达到模拟中的4W/m・℃，但是已经有一些导热性能良好的回填材料已经达到3.5W/m・℃，许多研究者还在致力于研究出导热性能更良好的回填材料，相信随着科学的进步，导热性能良好的回填材料将陆续问世，但是选择回填材料时也应根据地埋换热器的实际情况选择，综合考虑支管间距及钻孔深度，对于较深的钻井，回填材料应该相应取小点，避免扩大热短路的影响。当提高回填材料成本增加不大时，可以考虑在回填材料导热系数较高时，在离出水管一定距离处增设一个保温管，切断进水管对出水管的温度传递，降低热短路影响。3.1.3不同流速的热短路影响从进出口水温角度来研究一个钻孔的总热流量为：Q=Gcpt（3-2）式中：Q——单位时间内，U型管介质吸收或拍出的热量，W；G——介质的质量流量，kg/s；cp——介质的比热，J/kg・℃；t——埋管内进出口介质温差，℃。从上式可以看出：埋管内的流体流速增加，使得介质的质量流量G增加，但是减少了流体从进口到出口与管壁的作用时间，从而减少了流体的进出口温差，减小了热短路的影响，单位埋管换热量增大，能效比也越大，但过大的循环流量，必然导致埋管系统运行能耗的增加，增加运行成本。31 华中科技大学硕士学位论文以120米地埋换热器为例，分别取流速为0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s时（质量流量分别为0.106kg/s、0.212kg/s、0.318kg/s、0.424kg/s），运行14天后，不同流速下出水管管内断面平均水温及换热能力丧失系数。285284283282281280v=0.2m/s279278v=v=v=0.40.60.8m/sm/sm/s020406080100120140深度（m）0.90.80.70.60.50.40.30.20.10图3.7不同流速下出水管管内断面平均水温0.10.20.30.40.50.60.70.80.9速度（m/s）图3.8不同流速下换热能力丧失系数32温度（K）换热能力丧失系数 华中科技大学硕士学位论文35简要说明：30252015当速度较大时，换热能力丧失系数减小，热短路现象得到改善，且单位井深换热量也较大，但流速增大泵的功耗也增大，应综合考虑各个因素确定流速。1000.511.522.533.544.5速度（m/s）图3.9不同速度下单位井深换热量由图3.7、图3.8和图3.8可以看出，当管内流速较低时，比如在流速为0.2m/s时，出现了明显的热短路现象，在大约据出口管35m的地方，管内流体温度开始下降，流体最高温度为283.9K,出口水温为283.9K，换热能力丧失系数为0.84，当流速增加时，出水管温度一直处于上升，且流速越大，温度变化的曲率越大，说明进出口温差加大，换热性能较好，受到热短路的影响较小。这是由于流速比较大时，水在管中流动得很快，两支管之间的温差也比较小，热短路现象比较弱并且时间很短，故产生的热损失也很小，所以增加速度可以减缓热短路的影响。当流速较低时，单位井深换热量随井深的增长有着较显著的升高，在0.2-0.4m/s阶段单位井深换热量增加5.8w/m；0.4-0.6m/s阶段换热量随着流速的变大已经变得平稳，单位井深换热量增加2.2w/m；特别是流速大于0.6m/s时，井深对单位井深换热量的影响已经非常微小，0.6-0.8m/s换热量仅仅变化了1.0w/m，。也就是说随着流速的增加，每增加单位流速得到的换热量增速在减小，热短路影响减小，这是因为当流速较慢时，管内流体与周围土壤有较多的接触时间，传热更加充分，水在管内流动的时间越长，进口管对出口管的影响也就越大。随着流速的增加，U型管中的湍流就会更加强烈，管内水和管壁的对流换热系数就会变大，最终导致换热量的增加。但是达到一定的速度，流速对换热量的影响就不太大了。但是随着流速的不断增大，由于沿程阻力和局部阻力与速度的平方成正比，33单位井深换热量（w/m） 华中科技大学硕士学位论文U型管的压力损失必然会增加，最终会加大循环水泵的扬程。所以在进行地埋换热器设计的时候，一方面U型管的流速应尽量大些，使管中产生湍流或增强湍流以利于传热，以减少热短路的影响，一方面流速也不宜取过大。3.2间歇运行条件下的管脚间热短路岩土层的传热能力弱，是制约地源热泵系统发展的关键因素。地埋换热器在运行过程中大量的热量需要通过岩土吸取（冬季工况），而岩土层的导热系数比较小（一般为1.5～3.4W/m・℃），因此热量传导的过程进行得非常缓慢，导热换热器效率不高（长时间运行下的地埋换热器的单位管长换热率仅为20w/m左右）。因此地源热泵的埋管系统往往需要很大的占地面积，设备初投资大，而且地温恢复比较缓慢，长时间连续运行的埋管换热器出口水温可能达不到要求[38-40]。间歇运行使土壤温度场得到一定程度的恢复，减小热短路的影响。本节利用已经建立好的模型，针对地源热泵系统地埋换热器分别采用连续运行和间歇运行的方式进行数值模拟，得出在连续运行和间歇运行时进出口水温的变化，考察间歇运行对恢复温度场的能力，对改善热短路现象的大小程度。在FLUENT导入建好的GAMBIT模型后，可以自己编写UDF函数实现对速度变化的定义，下面是编好的速度的UDF函数：#include"udf.h"DEFINE_PROFILE(temp_velocity,t,position){face_tf;intflag;intk;inttime;intstep;begin_f_loop(f,t){34 华中科技大学硕士学位论文step=RP_Get_Integer("time-step");flag=step%288;if(1<=flag<=144){F_PROFILE(f,t,position)=0.2;}else{F_PROFILE(f,t,position)=0.00001;}}end_f_loop(f,t)}图3.7是地埋换热器连续运行与间歇运行两种情况下进出水管管内断面平均水温的比较。以120m地埋换热器为例，回填材料导热系数为2W/m・℃流速为0.4m/s，开机时间是从早上6：30到20：00，运行时间为80个小时。287286285284283282281280简要说明：当间歇运行时，进口水温在35m时减小幅度降低，进出口温差升高，间歇运行时换热能力丧失系数为0.81，连续时279278间歇运行连续运行为0.84，间歇运行时热短路现象有所改277020406080100120140善。井深（m）图3.7间隙运行与连续运行条件下进出水管管内断面平均水温35温度（K） 华中科技大学硕士学位论文由图3.7可以看出，当连续运行时，进口水温在35m时有下降的趋势，出口水温与流体最高温度相差0.16k，换热能力丧失系数为0.84，当间歇运行时，而出口水温与流体最高温度几乎相同，换热能力丧失系数为0.81。说明间歇运行时热短路现象有所改善。这是因为当采用间歇运行时，当机组停运后，水温迅速升高，土壤的温度场得以恢复，增大换热器与土壤之间的温差，热短路现象得到改善。而连续运行时，冷堆积现象一直存在，并随着时间的推移越来越大，热短路现象越来越严重。但是间歇运行条件下，换热能力丧失系数为0.81，连续运行条件下换热能力丧失量为0.84，两者相差不是很大，说明当随着时间的延长，热短路现象改善不大。目前许多学者利用试验和模拟手段研究可控间歇技术，可以改变地下井温的变化趋势，提高或降低平衡稳定温度，使机组工作在理想的工况下。结合实际运行工况，再通过认为合理的间歇过程控制，间歇时间的调整，将会实现良好的地温变化趋势，最大发挥地埋换热器的换热能力[12]。3.3热短路改善方法上一节分析了热短路现象对地埋换热器换热性能的影响，许多学者注意到这个问题，针对这一问题提出一些改进措施，如在钻井之后下管时，可以采用每隔一段距离在两支管间放置隔断物，以保证两支管间沿轴向等距，或采用在两管之间放置一个隔热板，下面另外介绍一种改进措施，在出水管增加一个一层保温层，并用FLUENT对这种措施做模拟，讨论其对减少热短路影响的效果。本节在出水管增加一定长度的保温管，以减小隔热材料对进水管和出水管向外传热的影响半径，仅仅在发生热短路现象较为严重的出水管段增设保温材料，以隔断进水管对出水管的传热，提高出水管的温度，两管时间的温差增大促使换热量的增加。下面以120m的地埋换热器为例，回填材料导热系数为4W/m・℃，流速为0.2m/s，保温材料导热系数为0.1W/m・℃，在出水管增设一层保温材料导热系数为0.1W/m・℃，长度为40m，厚10mm的保温管。机组运行200小时后，有保温管和36 华中科技大学硕士学位论文无保温管两种情况下，出水管沿井深各截面平均水温。284.6284.4284.2284283.8283.6283.4有保温管无保温管简要说明：当在出水管加入40m的保温管后，可以看出，出口温度增大，出水管温度降幅度减小，热短路现象有所缓解。但是无保温管时，出口水温与流体最高温度相差仅为0.16K，故283.2020406080井深（m）100120140加入保温管后，温度增幅较小，总换热量增加量不大。图3.8有无保温管出水管沿井深表3.1回水管脚有无保温段比较由图3.8可以看出，在机组运行200小时后，有保温材料的出口温度比无保温材料的高0.1K，从出水管沿井深各截面平均水温变化的趋势来看，当加了保温管后，在距出水管口35m的地方，温度降幅比没有保温管的小，说明热短路现象得到一定程度的缓解，但是由于无保温管的出口温度与流体最高温度相差也不是很大，仅为0.16k，故保温的效果不是很明显，仅仅温差减少了0.09K，但是也占总温差的56%。可以预见，当地源热泵两管间距离较近，钻进深度较深，回填材料较大时，热短路现象比较明显，出口温度与流体最高温度相差较大时，加保温管的效果会比较明显。由表3.1可以看出，加入保温材料后出口水温与进口水温之差增大，总换热量37进出口温差（k）出口水温与流体最高温度之差（k）单位井深换热量（w/m）总换热量（w）有保温材料6.30.1622.82736无保温材料6.20.0722.42688两者之差0.10.090.448温度（K） 华中科技大学硕士学位论文增加48W，总换热量增加，但是增加的幅度并不大，综合各个方面人力和物力考虑，增加保温材料没有很大的经济意义，但若出水管里进水管非常近，且钻孔深度较深，热短路影响较为严重，可以进一步做这方面的模拟再考虑是否在出水管加入保温层。3.４本章小结本章考察了不同钻井深度、回填材料、管内流速条件下，热短路对地埋换热器换热效率的影响及其改善措施，得出以下结论：（1）当钻井深度越深时，出口水温与流体最高温度相差越大，热短路影响越大；换热能力丧失系数越大，短路热损失越严重；而单位井深换热量减少，换热量降低。故井深不是越大越好，当管间距一定时，钻井越深，热短路现象影响越大，换热性能减弱也增加了投资。（2）当回填材料导热系数越大时，出口水温与流体最高温度相差越大，热短路影响越大；换热能力丧失系数越大。回填材料并不是越大越好，，虽然单位井深换热量增加了，但是热损失较为严重。选择回填材料时也应根据地埋换热器的实际情况选择，综合考虑支管间距及钻孔深度，对于较深的钻井，回填材料应该相应取小点，避免扩大热短路的影响。（3）当进口流体流速增加时，单位井深换热量增大，换热能力丧失能力减小，在流速为0.2-0.4m/s阶段时，换热量增加幅度较大，当大于流速0.4m/s后，换热量增加的幅度减小，到0.8m/s后，流速对单位管长换热量的影响已经非常微小，热短路现象得到明显改善，但是随着流速的不断增大，U型管的压力损失必然会增加，最终会加大循环水泵的扬程。建议流速取0.4-1.2m/s。（4）在间歇运行的方式下会减小热短路的影响，但是间歇运行是由机组的负荷决定的，而不是减小热短路损失的一种主动措施。（5）提出了改进热短路影响的办法，在出水管处加保温管。在发生热短路现象较为严重的出水管段增设保温材料，可以使出口水温增大，提高两管的总换热量。但是若是本身出口水温与流体最高温度相差不是很大，加入保温管后，仅仅能增加微弱的换热量。从人力和物力方面考虑，不推荐加入保温管，但是加入保温管对热38 华中科技大学硕士学位论文短路的改善是绝对的，出水管与进水管距离非常近，且钻孔深度较深，热短路影响较为严重，可以进一步做这方面的模拟再考虑是否在出水管加入保温层。39 华中科技大学硕士学位论文4地埋换热器经济性分析第三章用单位井深换热量和换热能力丧失系数用于衡量热短路对整个换热器换热效率影响的指标。设计地源热泵地埋换热器形式时，不但要考虑埋管的换热性能，还要考虑埋管的投资成本。因为换热性能高的埋管方式不一定经济，而提高换热性能通常是以经济为代价的。不同的钻井深度、回填材料、流体流速直接影响到地埋换热器的换热性能和经济成本。本章引入两种评价地埋换热器经济性的指标，讨论热短路影响大小不同下，其初始投资，运行费用，所得能量之间的关系。4.1地埋换热器单位井深换热量成本地埋换热器投资费用组成有：钻井费用、塑料管材费用和回填费用。下面以沈阳地区为例，将单U型埋管单位井深投资成本构成列于下表：表4.1单U型埋管单位井深投资成本由第三章的分析可知，钻井深度、回填材料、进口流速都不是越大越好，为了比较全面综合地分析比较不同情况下地埋换热器经济性，引入一个综合指标——“单位井深换热量成本”（Clq）：为单位井深的总投资Cl与单位井深换热量ql的比值，将投资成本与换热量综合在一个指标Clq中。Clq=Clql（4-1）其中：Clq——单位井深换热量（元/w）Cl——单位井深的投资成本（元/m）ql——单位井深换热量（W/m）40项目名称费用名称成本费用（元/m）合计Cl(元/m)钻井费用人工和机械费6888高密度聚乙烯管材料费10回填费用砂石回填10 华中科技大学硕士学位论文单位井深换热量成本指标Clq越大，表明换热器越不经济，Clq与单位井深换热量ql成反比，表明ql越大换热器越经济。分别计算出地埋换热器不同钻井深度及不同流速下的单位井深换热量成本指标变化。（1）钻井深度不同时单位井深换热量成本当钻井深度不同时，取相同的回填材料导热系数4W/m・℃，流速0.4m/s,运行14天后，考察其单位井深换热量成本。43.83.63.43.232.82.62.42.226080100120140160180200220钻井深度（m）图4.1钻井深度不同时单位井深换热量成本从图4.1可以看出，钻井深度加深时，单位井深换热量成本加大，这是因为随着井深的加深，热短路现象严重，所得的热量增长比例小于管长增长的比例，故单位井深换热量的成本加大。（1）流速不同时单位井深换热量成本以120m的竖直地埋换热器为例，流速分别为0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s，0.8m/s时，运行14天后，考察其单位井深换热量成本。41单位井深换热量成本（元/m） 华中科技大学硕士学位论文4.543.532.5200.10.20.30.40.50.60.70.80.9速度（m/s）图4.2流速不同时单位井深换热量成本从图4.2可以看出，速度加大时，单位井深换热量成本减小，这是因为随着速度的加大，热短路现象影响减少，而相应的钻井费用并未增加，故速度越大，对于初始投资的影响不大，但是会增加泵的功耗，下一节将要评价这个影响。4.2水泵功耗成本计算沿程和局部阻力损失可以用流体力学公式及经验公式。根据计算紊流沿程阻力系数的一种新的计算公式：1ë=−1.8lg[(k3.7d)1.11+6.9Re)]（4-2）取PE管的粗糙度k为0.01mm，根据沿程阻力损失hf和局部阻力损失hm:hf=ëhm=îlõ2d2gõ22g（4-3）（4-4）L:直管长度，m；d:直管内径，m；u:流体的速度，m/s；l:摩擦系数。42单位井深换热量成本（元/m） 华中科技大学硕士学位论文局部阻力hm为沿程阻力损失hf的10%，故总的阻力泵的功耗：h=1.1*hf（4-5）N=ñgQhfç（4-6）（1）流速不同时水泵功耗成本上一章分析了流速对于地埋换热器单位井深换热量的影响，可以看出随着流速的增加，单位井深换热量增加，总换热量也增加，但是流速的增加必然导致泵的功率增加，引入一个指标——“水泵功耗成本”（NlQ）：为泵的功耗Nl与总换热量Q的比值，将能耗与换热量综合在一个指标NlQ中。NlQ=NlQl（4-7）以120m的竖直地埋换热器为例，流速分别为0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s，0.8m/s时，运行14天后，考察水泵功耗成本。根据公式Re=ud/v,其中u水流速度分别为0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s，0.8m/s。d为水管直径0.026m，v为水的运动粘度取10-6m2/s。计算得Re=5200、10400、15600、20800，为紊流流态。表4.2单U型埋管水泵功耗成本43速度（m/s）λ总阻力H(m)泵的功耗（W）总换热量（w）水泵功耗成本0.20.03730.77126270.040.40.03062.54733290.200.60.02745.122035790.560.80.02568.504437181.20 华中科技大学硕士学位论文1.41.210.80.60.40.2000.10.20.30.40.50.60.70.80.9速度（m/s）图4.3流速不同时水泵功耗成本由图4.3可以看出，当流速增大时，水泵功耗成本快速加大，当流速为0.8m/s时，速度为0.2m/s的4倍，但是水泵功耗成本却为30倍，说明当速度增加时，要考虑其能耗的影响。(2)钻井深度不同时水泵功耗成本当钻井深度不同时，取相同的回填材料导热系数4W/m・℃，流速0.4m/s,运行14天后，考察其水泵功耗成本。表4.3单U型埋管水泵功耗成本44钻井深度（m）λ总阻力H(m)泵的功耗（W）总换热量（w）水泵功耗成本800.03061.70423920.181000.03062.11529240.191200.03062.54732780.202000.03064.231145180.24比率（%） 华中科技大学硕士学位论文0.3010.2510.2010.1510.1010.0510.001507090110130150170190210钻井深度（m）图4.4不同钻井深度下水泵功耗成本由图4.4可以看出，随着钻井深度的加深，水泵功耗成本增加，在井深为80m时，水泵功耗成本为0.18%，井深为100m时，水泵功耗成本为0.19%，井深为120m时，水泵功耗成本为0.2%，可以看出，当深度不是很深时，水泵功耗成本的比例增幅不大，运行费用的影响较小。4.3本章小结本章讨论热短路影响大小不同下，引入两种评价地埋换热器经济性的指标，单位井深换热量成本和水泵功耗成本，讨论在不同钻井深度、流体流速下地源热泵初始投资，运行费用，所得能量之间的关系。结果表明，钻井深度越深，热短路影响越大，单位井深换热量成本越高，水泵功耗成本越高；流体流速越大，单位井深换热量成本越低，但水泵功耗成本越高。在设计地源热泵的时候，应综合考虑热短路现象对于地源热泵初始投资、运行费用的影响。45能耗与总换热量比（%） 华中科技大学硕士学位论文5总结与展望5.1全文总结地源热泵是以大地为热源对建筑进行空调的技术。冬季通过热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。由于大地的年平均温度波动小,因此地源热泵的性能受气温变化影响很小。它与传统的空气源热泵相比有运行效率高、运行稳定性高、运行和维护费用低、无噪声等优点,符合当前的可持续发展要求,有着广泛的应用前景。地源热泵的高投资成本成为目前推广地源热泵的一个瓶颈，降低地源热泵成本的一个主要方面是降低地埋换热器的钻孔费用和设计出合理的埋管长度和间距以提高单位管井的换热量，影响单位管井换热器的因素很多，如回填材料、管壁、土壤的热物性能、埋管间距、埋管深度、流体进出口水温、流速、地下水渗透等。在各种因素中，有人很早就注意到管脚间热短路是一个影响因素。本文利用CFD软件对竖直地埋换热器进行三维数值模拟研究，通过模拟研究考察热短路对地埋换热器的影响,为减小热短路的影响，提出一些改进方法，对提高传热效率提供一些建议。本文首先利用建模软件GAMBIT建立地埋换热器数学模型，其几何形状和管内流动、传热状况与实际几何、物理条件完全符合，再利用大型商业CFD软件FLUENT进行计算，通过改变钻井深度、回填材料导热系数、进口流体流速等，考察其耦合作用对于地埋换热器换热效率的影响，并用单位井深换热量、单位井深热损失、单位井深换热量成本、功耗与总换热量比等来衡量热短路的影响大小，得出以下结论：（1）当钻井深度越深时，出口水温与流体最高温度相差越大，热短路影响越大；换热能力丧失系数越大，短路热损失越严重；而单位井深换热量减少，换热量降低。故井深不是越大越好，当管间距一定时，钻井越深，热短路现象影响越大，换热性能减弱也增加了投资。（2）当回填材料导热系数越大时，出口水温与流体最高温度相差越大，热短路影响越大；换热能力丧失系数越大。回填材料并不是越大越好，，虽然单位井深换46 华中科技大学硕士学位论文热量增加了，但是热损失较为严重。选择回填材料时也应根据地埋换热器的实际情况选择，综合考虑支管间距及钻孔深度，对于较深的钻井，回填材料应该相应取小点，避免扩大热短路的影响。（3）当进口流体流速增加时，单位井深换热量增大，换热能力丧失能力减小，在流速为0.2-0.4m/s阶段时，换热量增加幅度较大，当大于流速0.4m/s后，换热量增加的幅度减小，到0.8m/s后，流速对单位管长换热量的影响已经非常微小，热短路现象得到明显改善，但是随着流速的不断增大，U型管的压力损失必然会增加，最终会加大循环水泵的扬程。建议流速取0.4-1.2m/s。（4）在间歇运行的方式下会减小热短路的影响，但是间歇运行是由机组的负荷决定的，而不是减小热短路损失的一种主动措施。（5）针对以上热短路影响分析，提出一些减小热短路影响的措施：在出水管处加一段保温管。在发生热短路现象较为严重的出水管段增设保温材料，可以使出口水温增大，提高两管的总换热量。但是若是本身出口水温与流体最高温度相差不是很大，加入保温管后，仅仅能增加微弱的换热量。从人力和物力方面考虑，不推荐加入保温管，但是加入保温管对热短路的改善是绝对的，出水管里进水管非常近，且钻孔深度较深，热短路影响较为严重，可以进一步做这方面的模拟再考虑是否在出水管加入保温层。5.2进一步工作建议及展望由于地源热泵地埋换热器换热的过程是一个很复杂的过程，这种换热过程中涉及的物理模型很复杂，涉及的因素也很多，涉及的时间跨度也很长，空间区域很大，条件也很复杂。包括水平及竖直埋管与土壤中短期和长期工况下的换热规律、多组管道互相影响、地下水的渗流影响等等。本人利用FLUENT做的三维模拟，有很多地方是简化的，没有考虑到实际情况，而且研究热短路影响的因素还没有完全展开，个人认为还有以下几个方面值得继续研究和探讨：（1）回填材料与钻井深度的耦合作用还有待深一步的研究，不同的钻井深度适合不同的回填材料值，应把这个关系更具体化；47 华中科技大学硕士学位论文（2）在考虑增设保温管的情况下，对保温管的不同导热系数和厚度没有做比较分析。在热短路现象比较明显的情况下，应对保温管不同的热物性和厚度做比较分析，得出更全面的结论。48 华中科技大学硕士学位论文致谢本论文是在导师王劲柏的悉心指导和严格要求下完成的。在论文完成之际，谨向导师致以崇高的敬意和由衷的感谢！在读研究生期间，王老师给予了热心的指导和帮助，而他渊博的知识、严谨的治学态度、执着的追求精神都深深感染着我，并将成为我终身受用的精神财富。他不仅教给我们正确的科研态度、严谨的求学态度，而且还教给我们很多为人处世的道理，特别是王老师平易而幽默的性格常常使大家觉得他既是我们的导师也是我们的朋友。在课题研究和论文完成的过程中还得到了同一课题组的成员和寝室同学的大力支持和无私的帮助。特别是在学习FLUENT的过程中，得到同组的同学的很多帮助与提点，同组同学团结一致、互相学习的氛围使我深受鼓舞，在此同时道上深深的谢意！在我的本科和研究生生涯中，曾经还有很多老师给予过深切的关怀，在此感谢李帆老师、徐玉党老师、徐菱虹老师、管延文老师、胡平放老师、董春桥老师，感谢他们对我的热心帮助及鼓励！在此，向百忙之中审阅本文的老师们表示感谢。由于自身能力的原因，文章中可能有不少欠妥之处，恳请各位老师和专家学者提出宝贵意见，也诚恳地希望能够继续得到各位老师的指导和帮助。最后，感谢我的家人，在我学习和生活的过程中不断给我精神鼓励与安慰，感谢你们的养育之恩！肖婷2008年5月49 华中科技大学硕士学位论文参考文献[1]张佩芳．地源热泵在国外的发展概况及其在我国应用前景初探．制冷与空调，2003，3(3)：12～15[2]宋春玲，张国强，张泉等．土壤源热泵——一种节能的中央空调系统冷热源[J]．能源技术，1998，(12)：7～10[3]苏登超，刁乃仁等．热泵与建筑节能．能源技术，2003.24(1)：28～30[4]刁乃仁．地源热泵空调系统的研究开发与应用．应用技术，2002.(1)：35～40[5]KavanaughSP.KevinRafferty．Ground-sourceHeatPumps:DesignofthermalSystemsforCommercialandInstitutionalBuildings．ASHRAE,Atlanta:1997(2)：56[6]KavanaughS.ADesignmethodforcommercialground-coupledheatpumps.ASHRAETRANS．1995,101(2)：1088~1094[7]L.R.Ingersoll,O.J,Zoeble,A.C.Heatconductionwithengineering,geologicalandotherapplications，NewYork:McGraw-Hill，1954[8]方肇洪，刁乃仁，苏登超，等．竖直u型埋管地源热泵空调系统的设计与安装[J]．现代空调，2001，8(3)：101～105[9]QiangZhang．HeattransferanalysisofverticalU-tubeheatexchangersinamultipleboreholefieldforgroundsourceheatpumpsystems.PhDThesis,UniversityofKentucky，1999[10]张虹，沈国民，谢军龙．竖直U型地埋管两支管间热短路现象的定量分析．全国暖通空调制冷2006年学术年会论文集[C]，2006[11]宋小飞．地源热泵U型管地下换热器的CFD数值模拟．北京科技大学学报，2007，29(6)：229～333[12]Muraya,N.K.etal.ThermalinterferenceofadjacentlegsinaverticalU-tubeheatexchangerforaground-coupledheatpump.ASHRAETransactions;1996.102(2):12～21[13]柳晓雷，王德林，方肇洪．垂直埋管地源热泵的圆柱面传热模型及简化计算．山东建筑工程学院学报，2001，16(1)：47[14]YavuzturkC，SpitlerJDandReesSJ.ATransienttwo-dimensionalfinitevolumemodelforthesimulationofverticalU-tubegroundheatexchangers.ASHRAETrans.1999,105(2):465~474[15]GuYian，NealDennisL．Ananalyticalsolutiontotransientheatconductioninacompositeregionwithacylindricalheatsource．TransASME，1995，117～24250