動(dòng)態(tài)環(huán)境作用下螺旋型地埋管的傳熱模型與換熱特性.pdf

1、土壤源熱泵利用地下巖土作為熱泵機(jī)組的低品位熱源(匯),具有高效節(jié)能、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn),但是由于傳統(tǒng)垂直 U型土壤源熱泵系統(tǒng)鉆孔費(fèi)用較高,特別是重慶、成都等巖石地質(zhì)結(jié)構(gòu),初投資高,經(jīng)濟(jì)性差,在技術(shù)推廣過(guò)程中阻力較大。對(duì)于螺旋型地埋管換熱器而言,由于其能夠依托建筑基礎(chǔ),可較大程度節(jié)約鉆孔費(fèi)用,減少了系統(tǒng)初投資,有利于技術(shù)推廣應(yīng)用。但是由于螺旋型地埋管換熱器幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,且具有埋深淺、樁徑大的特點(diǎn),其傳熱機(jī)理與換熱特性有異于傳統(tǒng)垂直U型地埋

2、管,傳統(tǒng)的地埋管傳熱模型不能正確描述其傳熱現(xiàn)象;此外,土壤表面環(huán)境參數(shù)(空氣溫度、太陽(yáng)輻射等)的動(dòng)態(tài)變化對(duì)埋深較淺的螺旋型地埋管的傳熱過(guò)程具有較大的影響,但是目前描述螺旋型地埋管傳熱過(guò)程的物理模型未深入考慮上述影響,故在上述工程實(shí)際問(wèn)題及研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,本文對(duì)螺旋型地埋管換熱器的傳熱模型及換熱特性進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　?、艑?duì)螺旋型地埋管換熱器的導(dǎo)熱模型進(jìn)行了研究,建立了區(qū)別回填料與巖土熱物性差異的螺旋型地埋管換熱器實(shí)

3、心圓柱熱源一維導(dǎo)熱數(shù)值解模型及線(xiàn)圈熱源二維導(dǎo)熱數(shù)值解模型,并與忽略熱物性差異的導(dǎo)熱解析解模型做了定量對(duì)比,分析了一維及二維模型的溫度空間分布特征及溫度時(shí)間變化特征。
　?、圃谘芯繉?dǎo)熱模型的基礎(chǔ)上,提出了螺旋型地埋管在柱坐標(biāo)系統(tǒng)下的單元體離散方法,并在此基礎(chǔ)上建立了動(dòng)態(tài)環(huán)境作用下螺旋型地埋管換熱器的三維數(shù)值傳熱模型,該模型了考慮了回填料與巖土熱物性差異及動(dòng)態(tài)土壤邊界條件對(duì)傳熱的影響,采用 visual studio程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)中C＃

4、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,編制了螺旋型地埋管換熱器設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)模擬軟件;利用提出的螺旋型地埋管三維數(shù)值傳熱模型,模擬分析了地埋管設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行工況、螺旋形式、覆土深度、初始溫度分布對(duì)傳熱特性的影響,提出了螺旋型地埋管沿流動(dòng)方向上的4個(gè)典型換熱階段:進(jìn)口換熱換熱階段、回填區(qū)域熱短路換熱階段、小溫差換熱階段及出口換熱階段,分析了設(shè)計(jì)參數(shù)與運(yùn)行工況等因素對(duì)4個(gè)換熱階段換熱特性的影響。
　?、强紤]管群作用對(duì)螺旋型地埋管換熱效果的影響,將傳熱區(qū)域分為單樁

5、傳熱區(qū)域與管群傳熱區(qū)域,采用導(dǎo)熱解析解模型與三維數(shù)值解模型分別描述管群傳熱區(qū)域與單樁傳熱區(qū)域傳熱過(guò)程,提出―動(dòng)態(tài)土壤徑向邊界熱流‖的概念,將單樁傳熱區(qū)域與管群傳熱區(qū)域進(jìn)行耦合,從而建立了考慮管群作用下適合系統(tǒng)長(zhǎng)期模擬的螺旋型地埋管換熱系統(tǒng)的傳熱模型;另外,考慮機(jī)組負(fù)荷率、冷凝器水溫及水量、蒸發(fā)器水溫及水量等5個(gè)因素,建立了螺桿熱泵機(jī)組變工況能效模型;在螺旋型地埋管換熱系統(tǒng)的傳熱模型及機(jī)組能效模型的基礎(chǔ)上,模擬分析了重慶氣候條件下,無(wú)輔助

6、散熱措施情況下地埋管系統(tǒng)的典型月響應(yīng)特性、過(guò)渡季節(jié)溫度恢復(fù)特性及典型年動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性;然后通過(guò)調(diào)整夏季負(fù)荷,模擬了考慮輔助散熱措施情況下的地埋管系統(tǒng)響應(yīng)特性。
　　⑷以貴陽(yáng)城鄉(xiāng)規(guī)劃展覽館螺旋型地埋管熱泵系統(tǒng)為案例項(xiàng)目,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性測(cè)試,分析了系統(tǒng)原始工況的運(yùn)行特性,并提出了優(yōu)化運(yùn)行模式,在次日對(duì)優(yōu)化運(yùn)行模式進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)現(xiàn)冷熱源系統(tǒng)能效提高了26.1％。另外,基于本文提出的三維傳熱模型與原始工況測(cè)試數(shù)據(jù),確定得出測(cè)試項(xiàng)目埋管區(qū)域的巖