土壤源熱泵豎直埋管換熱特性管內(nèi)外耦合的三維動態(tài)編程數(shù)值研究.pdf

1、土壤源熱泵作為一種高效、節(jié)能的可再生能源技術(shù)，近些年來得到高度關(guān)注并推廣應(yīng)用。地埋管換熱器是土壤源熱泵系統(tǒng)中最核心的部分，其中循環(huán)介質(zhì)與周圍土壤的換熱情況將直接影響到土壤源熱泵系統(tǒng)的性能，關(guān)系到地埋管換熱器的整體設(shè)計與建筑所需負(fù)荷的最佳匹配問題，從而決定著系統(tǒng)的初投資以及運行費用。因此，對地埋管換熱器換熱性能的研究顯得尤為重要。
　　對于土壤源熱泵地埋管換熱器的換熱性能的研究，有解析、數(shù)值和實驗三種方法，其中，由于數(shù)值方法比解析方

2、法更接近真實問題，比實驗節(jié)省費用和時間，在該研究領(lǐng)域被作為常用方法。數(shù)值方法又分為兩種，商業(yè)數(shù)值模擬軟件和自編程序。商業(yè)軟件使用方便，操作簡單，但是對于一些特殊問題，其內(nèi)部條件無法自由修改。針對土壤源熱泵系統(tǒng)的研究，由于實際的土壤體是一種多孔介質(zhì)，而現(xiàn)有的商業(yè)軟件對多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)計算受到了諸多限制，故需要自編程序來研究豎直埋管換熱器熱滲耦合的換熱特性。
　　本文基于土壤多孔介質(zhì)理論和流體動力學(xué)理論等，針對土壤源熱泵地下豎直埋管換

3、熱器的換熱問題，建立了耦合管內(nèi)紊流流場與管外周圍土壤滲流的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用FORTRAN語言編制了三維動態(tài)數(shù)值計算程序，程序選用的調(diào)試平臺為Fortran PowerStation4.0。并利用巖土熱響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)，驗證了該程序的可靠性。
　　由于埋管的徑向尺寸遠遠小于整個計算區(qū)域，而管內(nèi)流體的流動又十分復(fù)雜，故在埋管換熱的研究中通常要作一些簡化，如將管內(nèi)流體解耦作為管壁恒定熱流問題或簡化管內(nèi)流場為斷面均勻流速。為

4、了更接近真實問題，本文編程數(shù)值模型考慮了管內(nèi)三維紊流流場與周圍土壤的耦合換熱，為耦合巖土多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)問題建立計算分析平臺。利用該程序?qū)Ρ确治隽斯軆?nèi)紊流流場與假設(shè)管內(nèi)勻速流場對換熱帶來的誤差影響，結(jié)論是采用埋管內(nèi)勻速流場的假設(shè)，埋管換熱性能的計算結(jié)果誤差較大。由此說明在進行埋管換熱計算分析時，應(yīng)對管內(nèi)流場進行計算，實現(xiàn)管內(nèi)外的耦合。因此，本文在考慮了管內(nèi)紊流流場與周圍土壤耦合換熱的基礎(chǔ)上，進一步分析了地下水滲流、埋管的入口流速、循環(huán)