地源热泵热短路特性研究分析

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1、地源热泵热短路特性研究分析　　摘要：地源热泵U型管换热器与土壤之间的换热过程非常复杂，而影响换热性能的因素很多，其中U型管之间的热短路造成的热损失就是影响换热器换热性能的一个关键因素。文章以西南交通大学自制的实验台为依托，测试不同流量、进口水温条件下的土壤温度分布。在对实验结果深入分析的基础上，利用Fluent软件进行模拟仿真，分析流速、进口温度对热短路热损失影响，并提出优化建议。　　关键词：地源热泵；U型埋管；热短路；热量损失　　中图分类号：TK529文献标识码：A文章编号：1006-893706-0026-02　　地源热泵系统是一种利用地下可再生能源进行能量转换的新型空调

2、系统。本文采用实验与模拟相结合的方法对地源热泵U型管热短路现象进行研究与分析并提出改善热短路现象的建议和措施。　　我校自制实验台尺寸简介　　实验台的几何模型为：外筒圆柱体材料为钢板，直径m，长5m。埋管为HDPEU型管，外径32mm，公称壁厚3mm，U型管两管中心距为110mm，埋深m；回填井直径150mm。　　实验台工作原理　　条件限制实验台只能模拟夏季地源热泵系统工作状况。设置固定的进口水温，通过电加热器加热，将水加热到设定温度。水箱内的水在水泵的作用下流入圆柱形筒体内的换热管中，与周围土壤进行换热，然后又流入水箱进行循环。水箱内的感温探头会自动传输数据至控制系统。　　实

3、验方案　　①在不开启循环水系统情况下得到土壤初始温度分布情况。　　②开启水箱加热系统，固定管径DN32，固定流速为m/s、m/s，测试进口水温为40℃、50℃时的土壤温度分布情况，即55个温度测点的温度分布情况。　　实验结果分析　　各种工况下测得的埋管中心两侧m和m处土壤温度分布数据见表1。表中“+”代表出水侧，“-”代表进水侧，温度单位为℃。　　实验结果分析　　①同一进口温度，不同流速对比分析。在同一时刻，较大的流速使得地源热泵U型管内流体与周围土壤的换热也随之加强。但是，随着流速的增加，管内流体与周围土壤的换热时间缩短。　　②同一流速、不同进口温度对比分析。同一流速下，同

4、一埋深处，同一测点上，测点温度明显随进口温度的升高而升高。换热器的换热效率也有所提高。　　利用FLUENT软件对上述工况进行数值模拟，对模拟结果进行分析，得出热短路热损失随进口温度变、进口流速变化情况，提出改善热短路热损失现象建议，模拟步骤如下。　　网格的划分　　U型埋管物理变化较大，所以在网格划分时对他进行了加密。U型管管壁的壁厚仅为3mm，网格划分很困难，所以在网格划分中并没有考虑垂直U型埋管的管壁厚度。最后生成网格数量为180万，网格质量较好，可以达到FLUENT软件的计算要求。　　边界条件确定　　首先对模拟进行假设：视土壤为各向同性均匀介质、忽略外界温度变化对土壤温度

5、的影响、忽略管井与土壤之间的接触热阻，埋管换热器与回填土之间的接触热阻、忽略地下水迁移。　　整个换热模型在FLUENT中的边界条件设置：地埋管入口边界设置为速度进口边界；出口设置为流出边界；管内流动介质为水，管井区域为回填土，外层为土壤；地表与空气相接触的土壤，以及土壤的远端边界层都设置为wall边界，假设其为恒温壁面边界。　　FLUENT计算　　FLUENT软件在设定好边界条件以及求解器后会自行计算　　模拟结果　　土壤温度场分布情况如图1所示，距离U型管较近的地方温度变化较大。而距离较远的地方温度变化较小。进水侧颜色比出水侧颜色深，意味着进水侧温度高于出水侧温度，这是因为流

6、体在U型管内流动时不断与土壤进行换热，沿流动方向流体温度逐渐降低。　　单位井深换热量是地源热泵设计中的重要参数，既可以用来评价换热器换热效率，又可以评价热短路损失大小。　　单位井深换热量　　单位井深换热量计算公式如下：　　■　　式中：q1为单位井深换热量，W/m；ρ为管内流体的密度，kg/m3；Cp为管内流体的比热，J/kg℃；r为管内半径，m；、Tfin、Tfout为埋管进、出口温度，K；■为流体进口流速m/s；H为钻井深度，m。　　单位井深换热量计算结果与分析　　①单位井深换热量随温度变化拟合曲线。如图2进口温度为313K时，单位管长换热量为W/m，进口温度升高单位管长换

7、热量也逐渐增加。U型管换热器的换热性能随之增高。但是进口温度逐渐增加，拟合曲线逐渐变缓，说明随着进口温度的增加，热短路热损失逐渐变大。　　②单位管长换热量随速度变化拟合曲线。如图3所示，当进口水温为313K时，流速为m/s时，单位管长换热量为W/m，流速为m/s时，单位管长换热量为W/m，流速增加，单位管长换热量增加，换热器换热性能增加。但是，曲线逐渐变缓，所以不能一味的提高进口流速来提高换热器的换热性能。　　减少热短路热损失措施　　①选择合适进口温度。U型管换热器换热性能随着进口水温的升高而升高，热短