严寒气候区地埋管换热器周围土壤冻结传热性能研究

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1、-学校代码:10255学号:2151226DONGHUAUNIVERSITY硕士学位论文严寒气候区地埋管换热器周围土壤冻结传热性能研究StudyonFreezingHeatTransferPerformanceofGroundSourceHeatExchangerwithAroundSoilinColdAreas专业名称：供热、供燃气、通风及空调工程姓名：张永才指导老师：周亚素教授完成日期：2018年1月东华大学硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注曹家枞教授答辩委员会主席东华大学周亚素教授答辩委员

2、会委员东华大学杨洪海副教授答辩委员会委员东华大学刘刚副教授答辩委员会委员东华大学赵敬德副教授答辩委员会委员东华大学朱学锦高级工程师答辩委员会委员上海建筑设计研究院有限公司杨小明工程师答辩委员会秘书东华大学东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担

3、。学位论文作者签名：日期：2018年1月10日东华大学学位论文版权使用授权书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，同意学校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，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华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□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：2018年1月10日日期：2018年1月10日摘要严寒气候区地埋管换热器周围土壤冻结传

4、热性能研究摘要严寒气候区土壤初始温度较低，且冬季供热时所需热负荷大，地源热泵系统地埋管周围的土壤会发生结冰现象，土壤冻结后会释放相变潜热，因此严寒气候区的地埋管换热器设计时，应考虑土壤冻结对传热性能的影响。本课题基于相变传热过程分析，建立地埋管周围土壤冻结的非稳态传热数学模型，并搭建沙箱实验平台，研究地埋管周围土壤冻结的传热性能。首先，基于理论模型分析，进行沙箱实验模拟地埋管的冻结传热过程，实验研究含水率和管内流体温度对地埋管周围土壤冻结性能的影响。实验结果显示：随着含水率的增加或管内流体温度降低，土壤冻结区厚度增

5、加，冻结区土壤温度降低，传热速率加快，而且管内流体温度降低对土壤冻结的影响更大。管内流体温度从-2℃降低到-10℃，降低400%，冻结边界层由3.7mm增加到21.4mm，增加了475.81%；冻结区土壤温度由-0.7℃降低到-6.4℃，降低了814.29%；传热到边界所需时间由10810s减小到8560s，减小20.81%。而土壤含水率从5%增加到25%，同样增加400%，冻结边界层从11.1mm增加到16.9mm，只增加了52.16%；冻结区土壤温度由-2.7℃降低到-3.9℃，降低42.99%；传热到边界所需

6、时间由11090s减小到8790s，减小20.74%。利用所建立的数学模型，输入实验工况条件进行模拟计算，将计算结果与实验测量结果对比分析，验证数学模型的准确性。结果表明：模拟值与实验值的最大误差为8.87%，满足工程计算精度要求，说明本文建立的数学模型准确可靠。利用所验证的数学模型进行模拟计算，研究土壤的物性参数（初始温度导热系数和体积热容）对地埋管周围土壤冻结传热性能的影响。模拟结果表明：初始温度和体积热容对地埋管周围土壤冻结传热的影响趋势相同，随着初始温度或体积热容的增加，冻结区厚度减小，土壤温度升高。而土壤

7、导热系数对土壤冻结的影响趋势相反，随着导热系数的增加，冻结区扩大，土壤温度降低。地埋管周围土壤传热存在冻结现象时，土壤的物性参数发生变化，冻结释放潜热，因此应该采用冻结传热模型进行模拟计算。假如采用未冻结传热模型计算时，会带来误差。本文在相同条件下，分别利用冻结传热模型和未冻结传热模型进行模拟计算，分析两者的计算误差。模拟结果表明：在冻结时间为8000s、土壤含水率为20%的条件下，采用未冻结传热模型在计算土壤温度场、热阻、热扩散率和传热时间时，造成误差分别为1.54%、7.14%、36.56%和1.92%，对热扩

8、散率求解的误差最大。因此，地埋管与周围土壤的传热过程存在冻结现象时，应I该采用冻结传热模型计算。本文的相关结论可为严寒气候区地源热泵系统地埋管换热器的设计提供理论依据。关键词：地埋管周围土壤冻结，相变换热，传热性能，等效热容法IIABSTRACTSTUDYONFREEZINGHEATTRANSFERPERFORMANCEOFGROUNDSOURCEHEATE