基于热渗耦合模型的U型垂直埋管换热器传热性能理论与设计研究

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1、分类号______________________________密级__________公开________________ＵＤＣ______________________________编号______________________________硕士学位论文基于热渗耦合模型的U型垂直埋管换热器传热性能理论与设计研究学位申请人：聂梦瑶学科专业：供热、供燃气、通风及空调工程指导教师：罗新梅副教授答辩日期：2018年5月22日独创性声明本人郑重声明：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

2、得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人签名_______________日期____________关于论文使用授权的说明本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制

3、手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。本人签名____________导师签名__________日期___________摘要基于热渗耦合模型的U型垂直埋管换热器传热性能理论与设计研究摘要地埋管换热器的传热性能一直是土壤源热泵技术研究的关键。目前，实际应用的地埋管换热器的计算模型大多是基于单一的热传导理论，而没有考虑地下水渗流对其传热性能的影响，从而使地下水丰富区域内的地埋管设计长度偏大，导致初投资及运行费用的增加。因此，本文考虑地下渗流、管群间耦合和动态负荷等因素，结合钻孔外无限

4、长移动线热源模型和无限长线热源模型以及钻孔内一维模型、二维模型和准三维模型，以VisualStudio为开发平台，采用VisualBasic.NET语言与Matlab语言进行软件混合编程，开发设计了地埋管换热器设计计算应用软件，软件可以实现垂直埋管换热器的基本设计计算功能，包括计算地源热泵工程所需钻孔总长度以及钻孔个数。结果表明，对于钻孔内热阻的计算，准三维模型计算所得热阻最小，一维模型和二维模型较为接近；而对于钻孔外热阻，有渗流存在模型下的热阻小于无渗流模型下的热阻，这说明地下水渗流在某种程度上可强化换热

5、。由于现有的地下水渗流作用下的地埋管换热器传热解析模型尚不能综合求解管内流体在周围土壤导热与地下水渗流耦合作用下的传热问题，因此本文采用有限长移动线热源作为单钻孔外传热模型，并结合钻孔内单U和双U埋管的准三维传热模型，以钻孔壁为耦合面，利用迭代方式寻优计算，建立可考虑渗流影响的地埋管钻孔内、外耦合的热渗耦合模型。此外，基于渗流作用下单钻孔的传热模型，考虑管群间耦合、动态负荷等情况，利用叠加原理和阶跃负荷，建立了地埋管管群传热模型和变热流线热源解析模型。结合所建模型，在地埋管换热器设计软件的基础上进一步开发埋

6、管周围土壤温度场计算软件，并将软件模拟值与实测值进行分析比较，验证此软件的准确性和可靠性。采用单位延米换热量和埋管出口水温为评价指标，在夏季工况下研究土壤热物性、回填材料、地下水渗流、渗流速度等因素对埋管群传热性能的影响，并利用所开发软件对埋管群周围土壤温度场进行全年动态模拟计算。结果表明：地下水渗流可有效促进埋管周围土壤的换热，若在地埋管设计过程中，忽略地下水渗流的影响会造成25%的偏差；通过分析不同深度不同半径下全年逐时土壤温度的分布情况发现，管群间的换热干扰对于埋管群中心位置土壤温度分布的影响较为明显

7、，而深度80米以及距管群半径3m范围之外的土壤温度在全年逐时动态负荷下稳定后接近于初始温度，基本不受影响。此外，注入的热量大于提取的热量，表明夏季和冬季的换热量存在一定的不平衡性，从而导致地温略有上升。I摘要关键词：土壤源热泵，垂直埋管换热器，地下水渗流，埋管群，动态负荷IIAbstractTHEORYANDDESIGNRESEARCHONHEATTRANSFERPERFORMANCEOFTHEU-PIPEVERTICALGROUNDHEATEXCHANGERBASEDONCOUPLEDHEATANDSEE

8、PAGEMODELABSTRACTTheheattransferperformanceofgroundheatexchanger(GHE)isalwaysaresearchkeyinthefieldofground-coupledheatpump(GCHP)relatedtechnologies.Atpresent,theheattransfermodelsofGHEusedinpracticalprojectd