套管式土壤空气换热器实验与数值模拟研究

论文摘要

土壤空气换热器供热时从土壤中吸热,制冷时向土壤放出热量。土壤冬季温度高于室外气温,夏季温度低于室外气温,因此可用于夏季供冷,冬季供热。通过使用土壤空气换热器还可以减少煤的使用量,节约石油、天然气等一次能源,有利于国家改善能源结构,减少有害气体排放从而达到保护环境和可持续发展的目标。因此利用土壤能对新风进行降温是节能、绿色环保的供暖和空调制冷方式,是一项具有发展潜力的项目。目前土壤空气换热器常见的是水平管,对于我国城市人口稠密、耕地资源稀缺的国家来说,节省土地空间的竖管方式则不应被忽略。我们结合地源热泵的竖直套管方式,建立了不同条件下的竖直套管与土壤传热的三维数学模型,模拟套管内流体的流动和传热、套管与土壤的传热及土壤温度场。为了提高工作效率,适应数值计算发展趋势,本文采用建模软件GAMBIT建立数学模型,以数值计算软件FLUENT进行计算。研究的意义在于指导实践,因此本文研究的重点有二点:一是在不同运行工况下数值模拟套管式土壤空气换热器的出口空气温度和土壤温度场:二是通过数值计算研究进口风速(风量)、进口温度、土壤的物性参数、管径、进风方式和套管的长度等不同因素对套管换热器出口空气温度的影响。在模拟计算中得到大量关于套管式土壤空气换热器出口空气温度和土壤温度场特性的数据,通过详细分析这些数据,能为套管式土壤空气换热器设计提供一些参考。最后对我们搭建的套管式土壤空气换热实验台进行实地测试,通过数值模拟的数据与我们所搭建实验台的实测数据比较,验证了数学模型的正确性。由于条件的限制,本文只对干空气与土壤的热交换过程进行了模拟分析,并与实测数据进行了对比,对于湿空气热交换过程的模拟分析,还有待进一步深入。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出及其研究意义
• 1.1.1 课题的提出
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 概述
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题将要研究的内容
• 1.4 可行性论证
• 2 套管式土壤空气换热器数学模型的建立
• 2.1 土壤特性描述
• 2.1.1 土壤的组成成分
• 2.1.2 土壤导热系数
• 2.1.3 土壤的初始温度
• 2.2 空气与土壤传热过程分析
• 2.3 套管式土壤空气换热器数学模型的建立
• 2.3.1 fluent 软件介绍
• 2.3.2 紊流模型选择
• 2.3.3 建立几何模形
• 2.3.4 划分网格
• 2.3.5 在GAMBIT 和FLUENT 中定义数学模型的条件
• 2.3.6 计算流程
• 2.4 本章小结
• 3 套管式土壤空气换热器出口温度和土壤温度场数值模拟
• 3.1 连续运行工况下套管出口空气温度和土壤温度场数值模拟
• 3.1.1 数学模型说明
• 3.1.2 出口空气温度随时间的变化
• 3.1.3 土壤温度场的数值模拟
• 3.1.4 管内空气温度沿程变化
• 3.2 间歇运行工况下套管出口空气温度和土壤温度场数值模拟
• 3.2.1 出口空气温度随时间的变化
• 3.2.2 土壤温度场的数值模拟
• 3.3 本章小结
• 4 套管式土壤空气换热器换热性能影响因素的研究
• 4.1 数学模型说明
• 4.2 影响空气沿竖管降温各因素的模拟分析
• 4.2.1 进口空气流速（流量）对套管换热器性能的影响
• 4.2.2 进口空气温度对套管换热器性能的影响
• 4.2.3 内管径对套管换热器性能的影响
• 4.2.4 土壤物性参数对套管换热器性能的影响
• 4.2.5 流体不同进出口方式对套管换热器性能的影响
• 4.2.6 地下套管管长对套管换热器性能的影响
• 4.2.7 热短路问题的分析
• 4.3 本章小结
• 5 套管式土壤空气换热器实验研究
• 5.1 实验装置搭建
• 5.2 实验测试系统
• 5.3 实验数据处理方法
• 5.3.1 实验仪器误差分析
• 5.3.2 测试数据的处理
• 5.4 实验数据分析
• 5.4.1 地下渗水规律分析
• 5.4.2 重庆地区地温实测
• 5.4.3 实验测试与模型验证
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 套管式土壤空气换热器有关参数的部分计算机模拟结果
• B 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录