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渗流作用下的垂直地埋管换热器传热性能理论及实验研究

张琳琳  
【摘要】:土壤源热泵是一种利用浅层地热的空调冷热源系统,高效、节能、环保。地埋管换热器与周围土壤的传热性能一直是土壤源热泵技术研究的主要关注点。目前,实际应用的地埋管换热器的传热模型主要是基于纯导热基础上的,未能考虑地下水渗流对埋管换热器传热性能的影响,这就会使地下水丰富区域内的地埋管换热器设计长度偏大,导致初投资增加及系统运行费用的提高。因此,建立能考虑地下水渗流对地埋管换热影响的传热模型,对其传热性能和运行效果进行准确的评估是十分必要的。地埋管传热解析模型因计算方便快捷而被广泛应用于地埋管换热器的设计计算和传热性能分析中。现有的地下水渗流作用下的地埋管换热器传热解析模型尚不能综合求解管内流体在周围土壤导热与地下水渗流耦合作用下的传热问题。因此,本文基于钻孔外移动有限长线热源的格林函数,结合钻孔内单U和双U型埋管的准三维传热模型,以钻孔壁为温度耦合面建立了可考虑渗流影响的地埋管钻孔内、外耦合的非稳态传热问题的解析模型,利用Matlab软件编程通过迭代寻优法实现了模型的求解计算。进一步对所建立的单钻孔埋管换热器模型辅以叠加原理,建立了地埋换热管群的传热解析模型。并基于达西定律设计搭建了缩尺砂箱实验台,进行了饱和砂以及有渗流作用时砂中单根和多根线热源散热的温度响应实验,利用实验数据和现场热响应测试数据分别验证了相关模型解的准确性和可靠性。利用所建立的解析解模型对渗流作用下单钻孔换热器散热时的埋管出口水温和土壤温度响应进行了计算,提出了地埋管“换热效率”的概念,用来反映埋管换热器实际换热量接近理论最大换热量的程度。并利用“单位井深换热量”和“换热效率”作为评价指标就土壤物性、渗流速度、入口流量及入口水温等因素对单钻孔埋管换热器传热性能的影响进行了定量的分析。进一步研究了渗流作用下地埋换热管群连续和间歇散热所引起的土壤温度响应和恢复特性,并分析了不同布管方式下管群间的热干扰作用强弱。结果表明:渗流和间歇运行有助于缓解管群间的热堆积现象,延缓土壤的整体温升。建议在管群排列时加大沿渗流方向的钻孔间距,适当缩小垂直于渗流方向的钻孔间距,或尽量减少沿渗流方向的钻孔数量。最后,针对因地质结构不同而使竖直地埋管换热器沿深度方向穿越不同的土壤层,且仅部分土壤层中存在渗流对其传热性能产生影响的问题,利用叠加原理建立了可分层考虑渗流和土壤物性影响的钻孔外非稳态传热解析模型。利用该模型对分层土壤有、无渗流的作用时埋管散热的土壤温度响应进行了计算,并与均质模型的结果进行了对比。结果表明:分层模型可揭示出土壤分层所导致的埋管周围土壤温度响应沿轴向非均匀分布特点以及土壤中某一层存在渗流时,该土层中的热作用距离会随着渗流速度的增大而明显不同于其它层的特征。因此,对于土壤存在明显分层或仅某几层中存在渗流的情况,建议利用分层模型进行计算和分析,并采用各层土壤中热作用距离的最大值作为埋管间距设计取值的依据。


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