U型埋管地热换热器的传热模型及换热性能的提高.doc

《U型埋管地热换热器的传热模型及换热性能的提高.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、U型埋管地热换热器的传热模型及换热性能的提高摘要高效利用可再生清洁的地热能、提高人居环境的舒适度并实现节能环保是本课题研究的主要目的。传统的空调系统受环境温度影响大、能效较低;水源热泵空调系统存在回灌难、污染地下水等问题;土壤源热泵空调系统在供暖、制冷、供热水等方面具有运行稳定、效果良好等优点，在国外己广泛应用。但国内的研究与应用起步较晚，解决地埋管换热器与土壤间的强化传热、系统初投资较高等问题是推动其发展的关键。本文以竖直U型埋管换热器为研究对象，采用数值模拟方法对影响地埋管换热效率的各种因素进行研究，结果表明，井深、流体速度、回填材料导热系数及支管中心距对换热的影响较为明显，当井深小于

2、150m时，增加井深使换热器的总换热量增大，但当井深大于250m时，由于支管间热短路现象加剧，随着井深的增加总换热量趋于平缓，且钻井费用提高，因此最佳井深范围可取150m-250m；提高U型管内流体的流速，使总换热量与U型埋管换热器效率增加，当流速超过0.8m/s时两者的增加速率都已很低，而同时U型管进出口压降却迅速增大，因此，推荐U型管内经济流速范围为0.4m/s-0.8m/s。关键词地源热泵；换热器；传热模型；换热器效率引言随着传统不可再生能源的不断消耗，能源紧缺的问题日益严重，具有节能特点的地源热泵(groundsourceheatpump)系统越来越受到人们的关注。地源热泵系统是一

3、种利用地下浅层地温地热资源（常温土壤或地下水）的既可供热又可制冷的高效节能热泵系统。它卞要包括三个部分:从土壤、地下水或地表水吸热/放热的装置；热泵机组；送风系统。根据地源热泵祸合换热系统的换热方式，可以把地源热泵系统分为闭式循环系统和开式循环系统。本文研究的是闭式循环垂直式热泵系统。设置地热换热器是闭环地源热泵(或称地下偶合热泵）空调系统的最大特点.这种地热换热器中的传热是管内流体与周围岩土之间的换热，与两种流体之间换热的常规换热器有很大的不同。通常地热换热器有水平和竖直两种布置方式。竖直布置的地热换热器通常都是在钻孔内布置U型的塑料管，再加上回填材料，与周围岩土构成一个整体。由于竖直埋

4、管地热换热器具有占地少、工作性能稳定等优点，己成为工程应用中的主导形式。对其传热模型的研究也就成为开发地源热泵空调系统首要的课题。地源热泵空调系统的主要缺点是其地热换热器的初投资较高，这也是阻碍地源热泵空调系统发展的主要原因之一。因此对地热换热器的结构进行优化设计，并提供可靠的设计计算模型是降低地热换热器造价的重要途径，也是推广地源热泵的关键技术之一[1]。对地源热泵U型管地下换热器的研究，在工程上国内外主要使用线热源模型和柱热源模型[2-3]，虽然模型考虑了U型管的具体形状以及其他影响因素，但由于使用的都是一维模型，只研究某水平平面，不能全面反映整个换热区域的换热情况[4-5]。刁乃仁等

5、通过解析的方法得出了一维和准二维的模型[6]。.但其一维和二维模型主要是建立在回填土区域，由于U型管地下换热器传热的不均匀性，回填土最外层的壁温显然不是均匀的。而且在非稳态过程中，回填土最外层壁温很难确定。为了研究整个换热区域的情况，本文使用CFD数值仿真软件对地下U型管换热器进行了模拟，进而研究了U型管换热器主要参数对U型管换热器换热效率的影响。1.数学模型1.1假设条件由于U型竖直埋管地下换热器的几何形状和土壤传热的复杂性，为了减少网格数量和降低计算的难度，所以要进行必要的简化。同时，为了保持所得结果的精度符合工程要求，作如下假设:（1）土壤是均匀的，而目在整个传热过程中土壤的热物性不

6、变。由于地下换热器引起的土壤温度变化比较小，因此可以这样假设。（2）忽略土壤中水分迁移的影响。(3)忽略U型管管壁与回填材料、回填材料与土壤之间的接触热阻。(4)忽略地表温度波动以及埋管深度对土壤温度的影响，认为土壤温度均匀一致，初始阶段为当地的年平均气温。(5)认为U型管底部弯管是绝热的，而流体的速度分布和方向改变。　　(6)钻孔间距足够大，忽略孔与孔之间的传热影响。1.2一维导热模型工程上对单U型埋管与地层的传热问题，通常分为两部分来处理。一是钻孔内部的传热，二是由钻孔壁面至外部地层之间的换热。与钻孔壁以外部分的传热过程相比，由于钻孔内部(包括回灌材料、管壁及传热介质)的几何尺寸和热容

7、量都相对要小得多，而且其温度变化都较为缓慢，因此可将钻孔内部的传热过程当作稳态的传热过程来处理。除了对于讨论的时间尺度小于数小时的动态问题外，这样的简化已被证明是合理的和方便的。另一方面，由于钻孔的深度远大于其直径，因此，岩土和钻孔的回灌材料中的轴向导热，与横截面内的导热相比可以忽略不计。由于U型管的结构特点，钻孔横截面上的导热明显是二维的，求解较为困难。因此，工程上采用的最简单的模型是把钻孔中U型管的两个支管简化为一个