地源热泵系统垂直U型地埋管换热器的实验与数值模拟研究

论文摘要

节能减排是当今全球关注的焦点之一。地源热泵技术具有显著的节能环保特点,正迅速成为暖通空调行业节能减排的重要手段。在地源热泵系统的研究中,地埋管换热器换热性能的研究是其中的重点与难点。地埋管换热器换热性能的研究是推广地源热泵技术的关键。开展地埋管地下换热器的传热特性以及地埋管换热器换热效率的研究,进而为地源热泵系统的优化设计提供理论和设计依据,本研究有重要的学术和工程应用价值。本论文选取占地面积小、适用范围广、性能稳定、换热效率高等显著优势的垂直U型地埋管换热器的土壤源热泵为研究对象。针对地源热泵工程实际,开展了系列实验、理论分析和数值模拟研究,论文主要工作和结论包括:实测对象为重庆某医院地源热泵系统,实测分冬季、过渡季节(3月和5月)和夏季三个阶段进行。热泵运行期间,在不同季节工况下,地埋管进、回水管在地下1m测点与地下9m测点处的水温值出现突降或突增的过程,地下9m与地下29m、地下29m与地下59m测点间的水温差值呈递减变化,且水温差值维持在2℃以内,这表明地埋管与土壤间的主要换热是与浅层土壤之间进行的,随着深度的增加,地埋管与土壤间的换热开始趋于平缓。在实验测试的基础上,建立了垂直U型地埋管换热器进、回水管内流体传热和流动模型、岩土传热模型。采用PHOENICS程序对就地埋管换热器的换热情况进行了模拟分析,模拟结果和实验结果一致。同时探讨了埋管深度、回填材料、U型埋管支管间距及管内流体流量等因素对地埋管换热器换热能力的影响。对影响地埋管换热器换热性能参数进行研究,结果显示:80m埋管的总换热量要高于60m埋管,应考虑地埋管换热器与土壤间的换热有可能在埋管最深处前就已达到换热饱和状态,因而在地源热泵系统的设计中应选择满足换热器最佳换热要求的最佳埋管深度;增强回填材料的导热性能可增加地埋管换热器换热能力,但支管间热短路效应也随之增加;提高U型埋管支管间距可降低支管间的热短路效应,提高地埋管换热器的换热能力;不同流量下,地埋管换热器的换热量并非随流量的增加而增加,地埋管流量与水泵扬程有关,因此在保证系统正常换热的情况下,必存在一个使地埋管换热器达到最佳换热效果的最佳流量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 国外研究现状和水平
• 1.2.2 国内研究现状和水平
• 1.3 问题的提出
• 1.4 研究内容
• 1.5 技术路线
• 2 地热换热器传热数学物理模型
• 2.1 地热换热器的类型
• 2.2 竖直U 型地热换热器传热模型理论综述
• 2.2.1 地热换热器的解析解模型
• 2.2.2 地热换热器的数值解模型
• 2.3 U 型管换热器数学物理模型
• 2.4 PHOENICS 软件简介
• 2.5 U 型管换热器计算模型的建立
• 2.6 U 型管换热器模型计算参数的设置
• 2.7 模型网格的划分
• 2.8 小结
• 3 地源热泵系统的实验与模拟研究
• 3.1 地源热泵系统工程简介
• 3.2 实验前期工作
• 3.3 实验数据处理方法
• 3.3.1 实验仪器误差分析
• 3.3.2 测试数据的处理
• 3.4 测试过程与数据分析
• 3.4.1 地源热泵系统运行前的测试与分析
• 3.4.2 冬季工况测试与模拟分析
• 3.4.3 过渡季节测试与模拟分析
• 3.4.4 夏季工况测试与模拟分析
• 3.5 小结
• 4 地埋管换热器换热性能影响因素的研究
• 4.1 埋管深度对换热性能的影响
• 4.2 回填材料对换热能力的影响
• 4.3 地埋管支管间距对换热能力的影响
• 4.4 管内流体流量对换热能力的影响
• 4.5 小结
• 5 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录