224_合肥地区垂直u型埋管换热器实验分析及模拟

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1、合肥地区垂直U型埋管换热器实验分析及模拟安徽建筑工业学院胡宁王晏平李雪飞汪志远摘要本文选取60m深垂直U型埋管进行了理论分析，建立了垂直U型地埋管换热器以及周围土壤温度场的数学模型，并实验研究了合肥地区夏季典型气候条件下不同运行模式下地埋管换热器的换热性能以及换热器周围温度场的变化情况。最后利用有限元分析软件ANSYS软件对合肥地区地埋管换热器长期运行工况进行了模拟，给地源热泵的施工提供了一定的参考价值。关键词地源热泵系统，垂直U型地埋管换热器，模拟，ANSYSExperimentalandSimulantStudyonVerticalU-TubeUndergroundHeatE

2、xchangerinGroundSourceHeatPumpSysteminHefeiAnhuiUniversityofArchitectureHuNingWangYanpingLiXuefeiWangzhiyuanAbstractsAsixtymetersVerticalU-tubeheatexchangerwastheoreticallyanalysedinthispaper,andamathematicmodelofVerticalU-tubeheatexchangerandthesurroundtemperaturefieldwasestablished.Itexperi

3、mentallystudiesheattransferperformanceoftheGroundheatexchange(GHE)andthesurroundtemperaturedistributionunderdifferentoperationmodesinthetypicalclimateofHefei.Last,thefiniteelementanalysissoftwareANSYSwasusedtosimulatethelong-timeoperationmodeoftheGHE,whichaffordsreferencetotheconstructionofth

4、eGSHPsystem.Keywordsground-sourceheatpumpsystem;verticalU-tubeundergroundheatexchangers;simulation;ANSYS1前言地源热泵是以地表能为热源(或热汇)，通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低品位热能向高品位热能转移的热泵空调系统，是真正的“绿色能源”[1]。与传统空调系统相比，地源热泵空调系统主要区别在于增加了一个地热换热器，即地下埋管环路。因此，对地源热泵系统来说，其关键的就是地下埋管换热器，它的性能直接关系到整个系统的工作效率。以往的研究更多注重的是换热器本身的换热特性分析，

5、对实验数据的依赖性比较大，特别是对于合肥这样全年供冷负荷大于供暖负荷地区，针对换热器周围土壤温度场以及系统长期运行工况的研究并不多，主要是由于以往的分析手段对系统长期运行工况没有很好的方法。但是对地源热泵来说，对系统长期运行工况的研究又是必须的。为此，本文在实验基础上通过有限元分析软件ANSYS对垂直U型埋管换热器的长期运行工况及其周围的土壤温度场进行模拟分析，确定每一时刻的埋管周围土壤温度分布情况，为埋地换热器的研究提供了一种新的途径，为实际工程提供一定的指导意义。2理论分析2.1物理模型的建立虽然地源热泵地埋管换热器在实际工程中有单U型、双U型以及W型等，但限于实验室条件，所

6、以本文主要分析研究单U型埋管换热器的运行情况。在实际工程中换热器的钻孔直径一般为100～200mm，而钻孔深度一般为40m～200m[2]，所以钻孔直径相对钻孔深度来说显得很小，地埋管换热器与周围土壤换热过程可以视为U型管被置于半无限大的介质中与周围土壤进行热量的交换，基于此，本文将采用线热源模型进行理论分析。2.2数学模型的建立（1）U型管管内流体的传热方程（2-1）式中：U型管管内流体流速，m/s；：U型管管内流体温度，℃；：U型管管壁温度，℃；：管内流体与管壁的对流换热系数，w/(m•℃)：流体密度，kg/m3；：流体比热容，J/(㎏•℃)。（2）U型管管壁的导热（2-2）

7、式中：管壁温度，℃；：管壁密度，kg/m3；：管壁比热容，J/(㎏•℃)：管壁导热系数，w/(m•℃)（3）回填材料的导热（2-3）式中：回填材料温度，℃；：回填材料密度，㎏/m3；：回填材料比热容，J/(㎏•℃)：回填材料导热系数，W/(m•℃)（4）土壤的导热（2-4）式中：土壤温度，℃；：土壤密度，㎏/m3；：土壤比热容，J/(㎏•℃)；：土壤的导热系数，w/（m•℃）（5）初始条件t=0,式中，为土壤初始温度，℃（6）边界条件盘管外壁与回填材料交界的边界条件：（2-5）（