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时间:2017-12-08
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1、第31卷第4期华北水利水电学院学报VoI.31NO.42010年8月JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPowerAug.2010文章编号:1002—5634(2010)04—0083—03土壤源热泵U型管非饱和土壤温度场分析王梅杰,陈贵芳,杨崇豪(1.华北水利水电学院,河南郑州450011;2.煤炭工业济南设计研究院有限公司.山东济南250031)摘要:为了使u型竖埋管传热模型更接近实际,在U型管建模时,考虑了其实际形状
2、.对土壤建模时,把:t壤进行了分层处理,把土壤看作是固态、液态、气态并存的物质,推导了各传热环节的控制方程,比较了不同温度场各因素的变化引起温度场的变化趋势.结果表明,非饱和土壤温度场更接近实际情况.关键词:u型竖埋管;土壤分层;非饱和多孑L介质;ANSYS;温度场中图分类号:TU833文献标志码:A关于u型竖埋管以及周围土壤的传热数值模i拟已有多个成熟的典型模型,这些模型多是基于线2热源理论、柱源理论和数值模拟的传热模型.在前人研究的基础上,考虑了非饱和多孑L介质土壤的热湿迁移以及U型管的实际形状,建立了更
3、完善的物理、数学模型.图1郑州地区全年地下温度模拟图1大地初始温度与传热分析趋势逐渐减小.表层土壤以下,当气温较低时,土壤以郑州的地质资料为研究对象.该区地下岩土的温度相对较高;气温较高时,土壤的温度却相对较类型为粘土,导温系数。为0.645×10m/s(其低,并且在18~19111以下温度值几乎全年不变.因中:固相占63%,液相占25%,气相占12%).根据此,土壤源热泵能很好地与建筑物的冷/热负荷相适土壤的温度特征将土壤分为3层:地表活动层区、中应,充分显示了土壤源热泵的优越性.层区和深层区.地下15m以
4、下土壤温度不再受地表面年周期温度波动的影响.因此,地表活动层的厚度2模型的建立可以取15111,中层区的厚度取15~35m,我国地温建模前提:①同一管内同一截面上的流体具有研究表明,一般该层的温度高于年平均温度的相同的温度与流速,不随幅角的变化而变化;②忽2~6cc⋯.深层区的厚度取35m以下,由于地热所略弯管连接段,视流体自进水管出来后直接进入出产生的温度梯度存在,随着深度的增加,地温有水管;③土壤的导热系数、孔隙率、非饱和度、比热、1/30℃/m的微小增幅.郑州地区地表面的温度年密度等热物性均匀一致,而且
5、在整个传热过程中土周期波幅A为l5.5℃,地表面年周期平均温度710壤的热物性不变;④土壤的初始温度在径向上均匀为l6℃.通过计算可以得出郑州地区全年地温模拟一致,仅沿深度方向上发生变化.图,如图1所示.数学模型的建立“过程为:由图1可以看出,随着深度值增大,温度的变化a.进水管内的对流传热收稿日期:2010—06—25基金项目:华北水利水电学院青年科研基金项目(HSQJ2004020).作者简介:王梅杰(1972一),女,山东嘉祥人,副教授,硕士,主要从事传热传质与节能方面的研究华北水利水电学院学报2010
6、年8月3.2求解结果=(1)誓.=I:+Pyc~rl·OrI⋯dt.⋯图2是进口制冷剂温度为30℃、距地面10Inb.出水管内的对流传热处、非饱和土壤热湿迁移情况下、地下水流速分别为50m/a,100m/a,150m/a,200m/a时、不同运行时‘O+.I:.(2)zpfc1Orl⋯.Ot—间土壤温度值的变化曲线图.从图2中可以看出,相c.进水管管壁导热同运行时间,地下水流速为50m/a时的土壤温度值要比100m/a,150m/a,200m/a都要高;当地下水。+-+等了+7=.‘㈩【j,流速为50m/a时
7、,运行时间为15d时,温度已经基本趋于稳定;当地下水流速为150m/a时,运行时间d.出水管管壁导热为5d时,温度已经基本趋于稳定.地下水流速分别a0c,,——二++等—r—Or+詈—O—0二=Ot.(4)J为50m/a,100m/a,150m/a,200m/a时,土壤趋于Or稳定后,运行天数为30d时,土壤的温度分别为e.回填材料导热26.44℃,25.12℃,22.22℃,2O.0l℃;地下水流aZOT3j:,‘——一+十_+十—O—0丁=—O—t.()5)J速越大,越有利于土壤源热泵的运行.Or,rar
8、‘十50m/a:--B-l00m/a:+150m/a:+200m/a27f.干饱和土壤导热2625,,++等了+:.‘㈩【020g.饱和土壤导热.在平均容积的基础上,对各相-H191817建立能量平衡方程,经整理可得(pc)OT+(pc)r蔬·Tf=AT+9,(7)p图2地下水流速对温度场的影响式中:(pc)=(1一)(pc)+(pc),;A:(1一图3是在钻孔中心处,非饱和土壤热湿迁移情qb)A。
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