蓄放熱過程豎直U型地埋管周圍土壤傳熱特性研究.pdf

1、地源熱泵系統(tǒng)是利用淺層地熱資源，通過熱力循環(huán)將土壤中的熱量或者冷量提取出來向建筑物提供熱量和冷量，以滿足建筑物的冷熱負荷。與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)具有環(huán)保、無污染、可再生性和較高的效能系數(shù)等優(yōu)點。近些年來地源熱泵系統(tǒng)在我國發(fā)展較為迅速，由于地源熱泵系統(tǒng)在實際工程上的不合理應(yīng)用，導(dǎo)致熱泵運行效率下降、土壤熱失衡等一系列問題的產(chǎn)生。目前對于這些問題的研究很不完善，同時也缺乏相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程，這在很大程度上制約了地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用。

2、r>　　論文在內(nèi)蒙古自然科學基金項目（2014MS0530）和（2015MS0561）資助下，通過實驗和數(shù)值模擬研究了地源熱泵系統(tǒng)運行過程中多種因素（流體進口速度、地埋管管徑及熱泵運行模式等）對地埋管換熱器傳熱特性和地埋管周圍土壤溫度分布的影響。然后，在傳熱規(guī)律的研究基礎(chǔ)之上針對內(nèi)蒙包頭地區(qū)全年蓄熱取熱型 U型地埋管群熱泵系統(tǒng)傳熱特性進行了研究，從而為解決內(nèi)蒙包頭地區(qū)熱泵常年運行過程中產(chǎn)生的土壤熱失衡問題，提供解決方案。
　　本文

3、首先在基于相似性理論的基礎(chǔ)上搭建了豎直U型地埋管蓄、取熱實驗臺系統(tǒng)，實驗研究了蓄熱過程中流體流量（Re數(shù)不同）、流體進口溫度、熱泵運行模式（連續(xù)運行和間歇運行）等因素對土壤傳熱特性的影響，以及熱泵冷熱交替模式對土壤傳熱特性的影響。實驗研究發(fā)現(xiàn)：熱泵蓄熱過程中地埋管進、出口溫度隨熱泵運行時間的增加，表現(xiàn)為先急劇上升后緩慢下降最后趨于平穩(wěn)的變化趨勢；地埋管周圍土壤溫度變化劇烈程度隨徑向距離的增加而減小；當熱泵運行穩(wěn)定后，單位管長換熱量基本保

4、持不變；鉆孔處土壤溫度導(dǎo)熱系數(shù)可以通過流體進出口溫度和土壤初始溫度估算得出；單位管長換熱量和地埋管周圍土壤溫度隨流體流量的增加而增加且最終趨于穩(wěn)定；熱泵間歇運行模式下單位管長換熱量和土壤溫度均呈現(xiàn)為波動式變化，且變化幅度隨熱泵開停比的減小而增加；熱泵冷熱交替運行模式下，土壤溫度變化曲線呈現(xiàn)先上升后下降的周期性變化規(guī)律，同時冷熱交替連續(xù)運行模式下，土壤溫度變化幅度較大，單位管長換熱量較熱泵單一運行工況下有所增加，鉆孔處土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)表現(xiàn)

5、為周期性的波動變化。
　　隨后，本文基于有限元分析法，建立了三維非穩(wěn)態(tài)傳熱物理數(shù)學模型，在與試驗結(jié)果進行驗證的基礎(chǔ)上，研究了回填材料、地埋管幾何參數(shù)等因素對地埋管周圍土壤溫度分布的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：單位管長換熱量和地埋管換熱效能系數(shù)均隨回填區(qū)域土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增加而增加，同時 U型地埋管之間的熱干擾強度也隨之增加；地埋管管腳距離和管徑分別為60mm和32mm時，單位管長換熱量最佳；地埋管鉆井深度對單位管長換熱量和土壤溫度的影響較小

6、，流體流速為0.8m/s時換熱量較高；雙工況間歇運行模式下鉆孔壁處土壤溫升率較低；地埋管周圍土壤溫度場沿地下水滲流方向出現(xiàn)拉伸，且拉伸程度隨滲流速度的增加而增加，地埋管宜采用叉排列方式。
　　最后，本文針對內(nèi)蒙包頭地區(qū)傳統(tǒng)地源熱泵運行2年進行模擬，發(fā)現(xiàn)地埋管附近土壤溫度逐漸下降是導(dǎo)致土壤熱失衡問題的主要原因。為此，本文提出全年蓄熱取熱型 U型地埋管群系統(tǒng)，并結(jié)合內(nèi)蒙古包頭地區(qū)的氣候條件進行了模擬研究。研究主要側(cè)重于蓄熱地埋管流體溫