土壤源热泵u型管非饱和土壤温度场分析

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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。