土壤源热泵垂直u型埋管温度场及热扰动分析

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1、加强了国内外土壤源热泵先进技术的交流。许多地方各级政府把发展土壤源热泵作为发展本地经济的一个契机[5]。北京市自1999年起，以北京工业大学为基地，进行地热供暖示范工程及低温地热能梯级利用技术研究，取得重大成果。为办好本届奥运会，北京市主管部门和科研部门全力合作，相继进行了一些先进技术研究，同时将土壤源热泵中央空调作为2008年北京奥运会指定选用的空调型式。山东省滨洲市政府积极推广土壤源热泵应用，将发展土壤源热泵作为本市经济工作中的重点发展的产业之一，带头在政府投资的公路局办公楼等项目上推广使用。2005年1月，呼和浩特市组织由市委副书

2、记等市领导亲自带队的考察团赴北京等地考察土壤源热泵应用技术，研讨土壤源热泵技术在呼和浩特市区域级的应用，寻求区域供暖制冷整体解决方案。而上海、天津、南京等地政府也大力支持土壤源热泵应用技术方面的研究。国内对土壤源热泵技术应用调查中发现，有30％的项目采用了土壤源热泵配装冷却塔这种形式。部分项目还采用结合蓄冰技术、太阳能利用、城市其他能源联供等方式。说明业内在寻求不同能源互相补充，以达到节约能源、节约成本、保护能源供应安全方面有了更深入的思索。1.3课题研究的意义及主要内容研究土壤源热泵系统有很大的应用价值，而土壤源热泵系统的关键技术在于

3、埋地换热器的传热研究，所以充分了解热泵运行前后地埋管取热、放热情况以及埋管周围土壤的温度场分布，从而分析埋地换热器的传热机理及影响其换热量的因数就显得尤为重要。课题主要针对实际工程中土壤源热泵地下埋管的深度、数量及间距的定性问题，通过建立垂直Ｕ型埋管式土壤源热泵地下换热埋管周围非稳态温度场的物理和数学模型,并用有限单元法原理通过有限元分析软件求解，对地下Ｕ型垂直埋管周围土壤的非稳态温度场进行数值模拟,再结合先前实验数据分析比较得出一定结论，为6Ｕ型垂直管埋深、数量及钻井间距的实际工程设计提供一定的参考依据。本课题的预期目标就是通过对土壤

4、源热泵地下换热埋管周围的土壤温度场的全面理论分析，并结合实验数据与模拟结果相比较得出一定结论，解决实际工程中土壤源热泵地下埋管的深度、数量及管钻井间距的定性问题，从而降低设备的初投资，提高土壤源热泵的经济性。72竖直U型管地热换热器传热模型和模拟方法1.3地热换热器的类型目前，国外土壤源热泵工程中采用的地热换热器有多种，根据其埋管方式的不同主要分为水平埋管和竖直埋管两种方式[6]。水平埋管是将高强度的塑料管埋于地表以下1-2米处的地沟内。水平埋管的地热换热器有以下几种形式：①水平单管；②水平双管；③水平四管；④水平六管。水平埋管地热换热

5、器的结构见图2.1。最近国外又开发了两种新形式：即水平螺旋状和扁平曲线状[10]。在水平钻孔内，一般采用直管。常用管子的直径为20毫米－32毫米，每冷吨制冷量或制热量所需的管子长度为400－600英尺（121.9-182.9米)。(I)单管(2)双管(3)四管(4)六管图2.1水平埋管地热换热器示意图水平埋管土壤源热泵系统由于地热换热器更接近地表面，系统性能受天气和空气温度的波动影响更大一些，因此系统效率比竖直埋管土壤源热泵系统要低，所需的埋管长度更长。但水平埋管地热换热器埋管比较浅，施工容易，因此安装费用相对较低。实践证明，水平换热器

6、的寿命较长。如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济。竖直埋管地热换热器又可分为套管式地热换热器与U型管竖直埋管地热换热器两种。套管式换热器的结构见图2.2[11]，来自热泵机组的循环流体被输送到换热器的钻孔中，流体通过钻孔垂直壁面直接与周围岩土进行热交换，之后通过设在钻孔底部的回水管将流体抽回到热泵机组当中。由于套管式换热器内流体与周围土壤的8接触面积增大，在相同负荷情况下，可以减少地热换热器的埋管长度，因此采用套管式换热器的热泵系统投资比U型管竖直埋管系统要低。该种形式的系统适用于地下坚硬岩石反域。当然若用在土壤区域，需在钻空内增

7、加套管。管沟回填土图2.2套管式地热换热器示意图竖直U型管地热换热器就是在地层中垂直钻孔，孔的深度一般在30-150m，钻孔直径为70-200mm，在每个钻孔中放置一个或多个U型管，U型管的直径一般为25—40mm[6]。竖直埋管的地热换热器有以下几种形式，(1)单U型管;(2)双U型管;(3)小直径螺旋盘管;(4)大直径的螺旋盘管;(5)立式柱状;(6)蜘蛛状。在竖直埋管换热器中，目前应用最为广泛的是单U型管和双U型管，详见图2.3。由于岩土类型、湿度在不同的地点各不相同，因此设计和安装地热换热器有许多不确定的因素。而地热换热器的设计

8、是否准确合理直接影响到土壤源热泵的性能。水平埋管的地热换热器占地面积大，图2.3a单U型埋管b双U型埋管9而且换热器受地表气候的影响，但初投资低，因此在场地面积较大时，可考虑采用水平埋管方式。竖直埋管占地面