对地下埋管换热器温度场探究

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1、对地下埋管换热器温度场探究　　摘要：本文首先建立单U型埋管一维热湿传递方程，然后用有限差分方法对方程进行离散，继而迭代计算出热湿方程的温度场值，然后对冬季热湿耦合作用下地埋管换热器周围土壤温度场随时间变化情况做了研究，重点针对土壤湿度对地埋管换热器换热量影响情况作了分析，并对冬季地埋管换热器周围土壤的温度场的影响因素做了分析。关键词：地源热泵；温度场；影响因素中图分类号：TU831文献标识码：A在地源热泵实验系统运行时，影响地埋管换热器温度场变化的因素很多，例如冬夏季气候变化、水分移动、土壤中水分冻结和融化等。白天采用控制容积法分析未冻结水分对地下冻结土壤传热影响[1]；毛佳妮采用温度场的三

2、维稳态模型分析埋管区域土壤温度场的情况[2]；王俊杰对地下土壤温度场的变化情况及特性做了分析[3]。本文通过建立简易的单U型埋管热湿传递方程，继而迭代计算出热湿方程的温度场值，进而对冬季热湿耦合作用下地埋管换热器周围土壤温度场随时间变化情况做了分析。1热传递方程1.1物理模型4冬季土壤里的热量转化过程、温度分布和表层土壤水分冻结和融化过程等因素都影响着土壤水分移动多少和速度，同时土壤水分移动、冻结和融化又反过来影响土壤中热量传递过程和温度分布，现对热湿迁移方程做简化和假设：土壤固体骨架结构在传热传质过程中不发生变化，且土壤是均质和各相同性的多孔介质。土壤中的水分不考虑含有矿物质和杂质，也不与

3、土壤发生物理和化学反应；土壤中的空气是理想气体。不考虑土壤的毛细滞后作用和粘性耗散作用的影响。不考虑土壤与周围环境空气的热湿交换作用。只考虑径向方向的一维热湿传递过程。1.2热传递方程通过以上的简化条件，得到的热传递方程为：C——单位体积土壤的比热容（kJ/m3·℃），C=？籽·c，？籽是土壤密度（kg/m3），c是土壤比热容（kg/m3·℃）；Cw——单位体积土壤水分的比热容（kJ/m3·℃），C=？籽w·cw，？籽w是水密度（kg/m3），cw是水比热容（kg/m3·℃）；？兹——土壤含水率（kg/kg）；？姿——土壤导热系数（W/m3·℃）；qv——埋管换热器单位井深换热量（W/m）。

4、Dw？兹——湿度梯度下的水分扩散系数；DwT——温度梯度下的水分扩散系数；4？灼——修正系数2数值计算结果分析2.1湿度对温度场影响程序初始计算条件：邯郸地区的地下土壤初始温度为16.9℃，系统运行总时间为3000min，时间间隔为10min，空间间隔为0.5m，计算长度为4m，地埋管侧换热量为54W/m，使土壤的初始湿度值分别为0.15（kg/kg）、0.2（kg/kg）、0.25（kg/kg）和0.3（kg/kg），计算不同湿度值时的土壤温度场分别如图2和图3所示。图2表示系统运行到2h和48h两种情况下，不同土壤初始湿度和距离埋管不同距离处的土壤温度场分布。由图2可以看出相同湿度下的距

5、离U型埋管相同距离处的48h温度场分布值都比2h的温度场分布值低；由图2还可以看出，随着土壤湿度由0.15（kg/kg）增加到0.25（kg/kg）的过程中，2h和48h的距离埋管不同距离处的土壤温度场分布值也分别随之降低，说明土壤中含湿量增加，土壤热量传递程度也随之增加。这有利于地埋管与土壤换热器换热，即含湿量增加，传热量也会增加。4图3表示距离U型埋管1.5m和2.5m处，不同土壤初始湿度和系统运行时间的土壤温度场分布。由图3可以看出距离埋管1.5m处和2.5m处，相同初始湿度情况下的土壤温度值随系统运行时间增加而逐渐下降，最后趋于稳定；由0.15（kg/kg）到0.3（kg/kg）湿度

6、的温度变化曲线可以看出，同一时间同一埋管距离处的土壤温度场随湿度值增加而变小，最后趋于稳定，由图可看出曲线稳定的时间一般在900～1200min左右；2.5m处0.25（kg/kg）和2.5m处0.3（kg/kg）湿度的温度场并不一致，随湿度增加，温度场值逐渐减少。3结论为能更准确分析土壤与U型埋管换热器情况，本文考虑以土壤含湿量作为影响冬季土壤与埋管换热器换热的主要因素，分析了湿度此因素对冬季土壤温度场和湿度场的影响。由结果发现：冬季土壤温度场值随着离埋管越近逐渐降低。在设计时，若资料足够，宜考虑湿度在地埋管换热器与土壤换热中的影响。参考文献[1]白天，郑茂余，孔凡红等.地埋管换热器周围土

7、壤冻结温度场的模拟研究[J].煤气与热力，2009，29（10）：01-04.[2]毛佳妮，陈焕新，冯广昌等.土壤温度场对垂直单U形埋管换热性能的影响分析[J].制冷与空调，2009，9（1）：88-92.[3]王俊杰等.土壤温度场对竖直U形地埋管换热性能的影响[J].暖通空调，2009，39（3）：89-93.4