不同上垫面形式对地埋管换热器换热性能的影响

论文摘要

随着世界经济的快速发展,全球面临的能源短缺问题正逐步在各个行业中体现出来。建筑能耗大以及不可再生能源引起的全球变暖现象也引起了人们的重视,发展可再生能源成为了必然的趋势。地热能作为一种清洁的可再生的能源逐渐得到了人们的青睐,在大环境的驱动下,地源热泵技术的发展也得到了重视。近年来,地埋管地源热泵系统在我国的应用较多,地埋管换热器的换热模型和其换热性能是研究的重点。影响地源热泵地埋管换热器换热性能的因素众多,对于埋管区域岩土的上边界地表,本文称为上垫面,关于该边界处的上垫面形式对地下换热器换热性能的影响的研究还未涉及到。在目前的地埋管换热器传热模型计算中,由于整体计算的复杂性,均简化了上垫面边界条件的处理,而假设为常值边界,然而,上垫面作为地下岩土和外界环境的边界面,热量通过该边界面实现外环境与地下岩土的交换过程,故有必要对上垫面边界条件进行详细的分析研究。本文首先分析了自然状况下和有地埋管换热器运行时的热量传递过程,建立了上垫面边界处的热平衡方程,并比较了典型上垫面形式的热特性参数,了解了不同上垫面形式的传热特性,然后对重庆地区的三种典型上垫面形式下的室外气象参数和上垫面表面温度进行了实测。根据实测情况和热平衡方程计算得到了三种上垫面形式下的上边界净得热量,从而确定了不同上垫面形式的上边界条件。建立了水平埋管换热器周围岩土的二维瞬态传热模型,通过有限差分方法对其微分方程及边界条件进行了离散,然后利用MATLAB编写程序求解。根据不同的输入条件,分别对埋管换热器连续运行和间歇运行两种工况进行了计算,分析了连续运行工况下不同的上垫面形式在地下岩土温度分布、换热器运行后的负荷痕迹以及热影响距离等方面的差异情况。对间歇运行工况下,三种上垫面形式下的夜间恢复情况和运行周期末的负荷痕迹值进行了对比分析。然后对连续和间歇两种运行工况下的负荷痕迹值进行了对比,提出了间歇运行模式对于保持地源热泵地埋管换热器的高效运行具有重大意义。通过设置不同的水平埋管深度进行计算,说明了水平埋管受到上垫面边界影响的程度与其埋管深度有关。另外,本文针对短期运行和长期运行工况,将三种上垫面形式下的单位管长换热量和热影响距离的关系进行了拟合,并分析了热影响距离随运行时间的变化情况,为实际工程设计有一定的指导作用。对于竖直埋管,首先阐述了竖直U型管换热器的传热模型理论和主要的求解方法。利用CFD软件建立了竖直U型换热器的三维瞬态传热模型并进行计算,分析了连续运行工况下三种上垫面形式下在换热器出水温度、单位管长换热量及周围岩土温度分布等方面的差异。根据层换热理论比较了三种上垫面形式下的饱和换热深度的差异,并列出了地下不同深度下的负荷痕迹值和热影响距离。分析了三种上垫面形式在连续运行工况下的出水温度和单位管长换热量随时间的变化,比较了室内和室外上垫面形式下换热器的换热性能的下降率。另外,对竖直埋管的间歇运行工况也进行了计算,分别讨论了间歇运行工况下三种形式的夜间恢复情况。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 能源危机及全球变暖问题
• 1.1.2 建筑能耗
• 1.1.3 可再生能源的利用
• 1.2 地源热泵系统的发展历史
• 1.3 地埋管换热器研究现状
• 1.3.1 地埋管换热器传热模型的类型
• 1.3.2 地埋管换热器传热模型的理论基础
• 1.3.3 实验研究
• 1.3.4 数值计算中常用的上垫面边界条件的设置方法
• 1.4 本课题研究重点和内容
• 1.5 本课题研究意义
• 1.6 小结
• 2 传热过程及上垫面的传热特性分析
• 2.1 自然状况
• 2.1.1 热量传递形式
• 2.1.2 上垫面热平衡方程
• 2.1.3 岩土温度分布规律
• 2.2 地埋管换热器运行
• 2.2.1 热量传递的变化
• 2.2.2 负荷痕迹
• 2.3 典型上垫面形式的传热特性分析
• 2.3.1 热特性参数
• 2.3.2 表面换热系数
• 2.3.3 三种上垫面形式的实测结果
• 2.4 上垫面边界条件的确定
• 2.5 小结
• 3 水平埋管地下岩土传热模型的建立
• 3.1 模型的条件与简化
• 3.2 夏季运行工况数学模型
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 边界条件
• 3.2.3 初始条件
• 3.3 数值计算
• 3.3.1 数值方法简介
• 3.3.2 计算区域网格划分
• 3.3.3 微分方程的离散
• 3.3.4 边界条件的离散
• 3.4 停机恢复工况数学模型
• 3.5 输入条件
• 3.5.1 岩土物性及埋管参数
• 3.5.2 换热器内平均流体温度和平均换热系数
• 3.5.3 时间步长
• 3.5.4 运行模式
• 3.6 MATLAB 求解
• 3.7 小结
• 4 水平埋管计算结果对比分析
• 4.1 连续运行工况
• 4.1.1 连续运行工况末岩土温度分布
• 4.1.2 岩土温度分布随时间变化情况
• 4.1.3 连续运行工况下的负荷痕迹
• 4.2 间歇运行工况
• 4.2.1 间歇运行工况下岩土温度分布
• 4.2.2 间歇运行工况下的负荷痕迹
• 4.2.3 连续运行和间歇运行的负荷痕迹比较
• 4.3 不同埋管深度的影响
• 4.3.1 埋管深度 h=0.5m
• 4.3.2 埋管深度 h=1.5m
• 4.3.3 不同埋深的比较
• 4.4 埋管换热器周围温度场分布与换热性能之间的关系
• 4.4.1 短期运行工况
• 4.4.2 长期运行工况
• 4.4.3 热影响距离随运行时间的变化
• 4.5 小结
• 5 竖直 U 型埋管换热器传热模型的建立
• 5.1 竖直 U 型换热器传热模型理论
• 5.1.1 地埋管换热器的解析解模型
• 5.1.2 地埋管换热器的数值解模型
• 5.2 竖直双 U 型换热器模型的建立
• 5.2.1 假设条件
• 5.2.2 物理模型的建立
• 5.2.3 数学模型及求解方法
• 5.3 计算条件
• 5.3.1 边界条件
• 5.3.2 初始条件
• 5.3.3 运行模式及时间步长
• 5.4 小结
• 6 竖直埋管计算结果对比分析
• 6.1 不同上垫面形式对出水温度的影响
• 6.1.1 管内流体温度分布
• 6.1.2 换热性能随时间变化
• 6.2 埋管换热器周围岩土温度场分布
• 6.3 间歇运行工况及夜间恢复
• 6.4 竖直埋管的回水干管热损失问题
• 6.5 竖直埋管与水平埋管的比较
• 6.6 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录