水平蛇形地埋管換熱器換熱性能研究.pdf

1、土壤源熱泵是以地表淺層土壤作為熱泵的熱源,隨著近年來(lái)可再生能源問(wèn)題的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種高效節(jié)能利用地能的技術(shù)。近幾十年來(lái),許多學(xué)者對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值計(jì)算等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。本文主要以水平蛇形地埋管地源熱泵系統(tǒng)作為研究對(duì)象,對(duì)水平蛇形地埋管換熱器的換熱性能以及恢復(fù)工況進(jìn)行研究,此次實(shí)驗(yàn)共鋪設(shè)兩層水平蛇形地埋管,埋深分別為1.8m和2.2m,兩層水平蛇形地埋管換熱器既可以串聯(lián)運(yùn)行也可以分別獨(dú)立運(yùn)行,夏季采

2、用的是熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法,以加熱水箱代替熱泵機(jī)組,冬季采用的是地源熱泵實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)在水平蛇形地埋管管壁上以及不同埋深的土壤中鋪設(shè)熱電偶來(lái)采集各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度。
　　本文主要研究了土壤初始溫度的確定和水平蛇形地埋管換熱器換熱性能的分析,在研究土壤初始溫度的時(shí)候主要從回填空氣間隙對(duì)土壤初始溫度的影響著手,分析實(shí)際工程中,由于人工回填的不確定性,回填間隙可能帶入空氣,導(dǎo)致土壤未夯實(shí),研究人工回填未夯實(shí)(回填間隙帶入空氣)對(duì)土壤初始溫度和水平

3、蛇形地埋管換熱器換熱性能的影響。
　　首先,本文假設(shè)未夯實(shí)土壤所帶入的空氣間隙是呈長(zhǎng)方體豎直均勻貫穿在所研究的土壤中的,從而建立了未夯實(shí)土壤(回填間隙帶入空氣)初始溫度數(shù)值計(jì)算模型,利用CFD軟件求解,得到未夯實(shí)土壤初始溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果,并將未夯實(shí)土壤初始溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果與土壤夯實(shí)情況下的理論計(jì)算值進(jìn)行比較,結(jié)果表明未夯實(shí)土壤數(shù)值計(jì)算由于回填時(shí)土壤間隙混入了空氣導(dǎo)致在埋深2.2m處土壤初始溫度比土壤夯實(shí)情況下的理論計(jì)算值高0.88

4、℃,說(shuō)明回填未夯實(shí)土壤間隙混入空氣會(huì)對(duì)土壤的初始溫度帶來(lái)一定程度的影響。
　　接著,本文以未夯實(shí)土壤(回填間隙帶入空氣)初始溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果和夯實(shí)土壤初始溫度理論計(jì)算結(jié)果作為邊界條件,建立夏季埋深為2.2m的水平蛇形地埋管換熱器與土壤換熱耦合數(shù)值計(jì)算模型,并利用CFD軟件求解,得到土壤在未夯實(shí)(回填間隙帶入空氣)和夯實(shí)情況下水平蛇形地埋管換熱器進(jìn)出口溫度,沿流動(dòng)方向水溫變化情況及平均傳熱系數(shù)隨時(shí)間的變化值以及在夯實(shí)情況下土壤溫度的

5、恢復(fù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明土壤未夯實(shí)(回填間隙帶入空氣)會(huì)使水平蛇形地埋管換熱器進(jìn)出口溫度升高,系統(tǒng)效率降低,換熱性能下降,土壤平均傳熱系數(shù)下降。
　　緊接著本文對(duì)冬夏季實(shí)驗(yàn)測(cè)試土壤的初始溫度進(jìn)行分析,并將夏季實(shí)驗(yàn)回填完成后所采集到的土壤的初始溫度與未夯實(shí)土壤數(shù)值計(jì)算結(jié)果、夯實(shí)土壤初始溫度理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)夏季實(shí)驗(yàn)測(cè)試土壤的初始溫度結(jié)果與未夯實(shí)土壤(回填間隙帶入空氣)初始溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合,從而確定在實(shí)際回填中,土壤

6、是沒(méi)有夯實(shí)的。在埋深為2.2m處,實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象由于回填時(shí)土壤間隙混入了空氣導(dǎo)致土壤初始溫度比夯實(shí)情況下的理論初始溫度值高1.01℃。因此在實(shí)際熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)土壤進(jìn)行了再次加密,使其夯實(shí)。
　　再接著本文將單獨(dú)開(kāi)啟埋深為2.2m層、單獨(dú)開(kāi)啟埋深為1.8m層以及兩層水平蛇形地埋管串聯(lián)運(yùn)行夏季熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)及冬季水平地埋管地源熱泵實(shí)驗(yàn)的各個(gè)工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,研究分析冬夏季各個(gè)工況下水平蛇形地埋管換熱器的換熱性能,結(jié)果表明地下二層(埋

7、深為2.2m層)水平蛇形地埋管換熱器的換熱性能要優(yōu)于地下一層(埋深為1.8m層)水平蛇形地埋管換熱器的換熱性能。本文還研究了冬夏季各個(gè)運(yùn)行工況下水平蛇形埋管換熱器中循環(huán)水隨流動(dòng)方向溫度的變化,冬夏季最優(yōu)工況下單位管長(zhǎng)的換熱量和土壤平均傳熱系數(shù)K值的求取,夏季土壤溫度恢復(fù)過(guò)程分析,夏季變加熱量對(duì)水平蛇形地埋管換熱器換熱性能的影響,冬季變流量對(duì)水平蛇形地埋管換熱器換熱性能的影響。
　　然后本文將所分析得到的埋深為2.2m層的水平蛇形地

8、埋管換熱器與土壤換熱實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與以夯實(shí)土壤、未夯實(shí)土壤(回填間隙帶入空氣)的初始溫度作為邊界條件建立的埋深為2.2m層的水平蛇形地埋管與土壤換熱耦合數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與以夯實(shí)土壤初始溫度作為邊界條件的數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合得很好,從而說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)土壤進(jìn)行再度夯實(shí)的工作時(shí)基本達(dá)到要求了的。
　　最后,本文提出優(yōu)化地源熱泵系統(tǒng)水平蛇形地埋管設(shè)計(jì)的參考值,包括了水平地埋管換熱器埋深設(shè)計(jì)的建議值;單位管長(zhǎng)的換熱量