（热能工程专业论文）地源热泵群管换热器的三维数值研究.pdf

哈尔滨下程大学硕+ 学伊论文 摘要 地源热泵作为一项高效节能、绿色环保型的空调技术，在国外已成为一 种广泛采用的供热空调方式，而在国内正处于研究和应用推广阶段，有着巨 大的发展潜力。垂直深埋u 型管式地源热泵以其占地而积少、可用范围广、 灵活性较高、恒温效果好、换热效率高等众多优势，日益流行。本文在第1 、 2 章对地源热泵系统的原理、构造、特点以及近年来垂直深埋u 型管地下传 热计算模型的发展进行了较为系统的阐述，并介绍了几种典型的传热模型。 地下埋管换热器一直是土壤源热泵技术的研究关键，而土壤内部物理现 象复杂，地下水渗流是普遍存在的一种。换热器传热性能受地下水渗流的影 响，形成热渗耦合传热过程。在多孔介质理论基础上，做出相应简化，建立 了热渗耦合作用下的地下埋管换热器的数学模型。采用数值模拟方法，分析 了地下水渗流和渗流速度的不同对埋管换热器换热性能的影响。 在单u 型埋地换热器周围土壤热渗耦合数值模拟基础上，建立埋地换热 器管群周围土壤内三维瞬态导热和热渗耦合传热模型，模拟夏季运行工况下 不同埋管布置方式、不同埋管间距对埋管周围土壤温度场的影响，得出了有 益于实际应用的结论。 关键词：地源热泵；埋地换热器：热渗耦合；数值模拟；换热效果 哈尔滨工程大学硕十学位论文 a bs t r a c t g 胁眦d - s o u r c eh e a tp u m pa sa 、h i 曲e f f i c i e n c ye n e r g ys a v i n g ，g r e e n e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na i rc o n d i t i o n i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m ea w i d e l yu s e d m e a n so fh e a t i n ga i r - c o n d i t i o n i n ga b r o a d ，a n di ti ss t i l li nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n p h a s ei nd o m e s t i c ，w h i c hh a sg r e a tp o t e n t i a lf o rd e v e l o p m e n t v e r t i c a lu - t u b e g r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m p sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp o p u l a rb e c a u s eo fm a n y o u t - s t a n d i n ga d v a n t a g ei th a s ，s u c ha s ：f e w e ra r e ar e q u i r e m e n t ，f e w e rl i m i t s ， r u n n i n gs t e a d i l y , b e t t e rp e r f o r m a n c e ，l o w e rc o s t so ns y s t e mm a i n t e n a n c ee t c i n t h ef i r s ta n ds e c o n dc h a p t e ro ft h i sp a p e r , t h et h e o r y , s t r u c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c so f t h eg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m sa n dt h ed e v e l o p m e n to fv e r t i c a lu - - t u b e g r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m p si nr e c e n ty e a r sa r ee x p o u n d e ds y s t e m a t i c a l l y , a n d s e v e r a lt y p i c a lh e a tt r a n s f e rm o d e l sa r ei n t r o d u c e d t h eu n d e r g r o u n dg e o t h e r m a lh e a te x c h a n g e r ( g h e ) i sa l w a y st h ek e yp o i n t o fg s h pt e c h n o l o g y , b u tt h ep h y s i c a lp h e n o m e n o ni n s i d et h es o i li sc o m p l i c a t e d a n dg r o u n d w a t e ra d v e c t i o ni sw i d e s p r e a da n de x i s t e n t t h eg h e sh e a tt r a n s f e r c a p a b i l i t yi si n f l u e n c e db yg r o u n d w a t e ra d v e c t i o n , a n dh e a tc o n d u c t i o na n d g r o u n d w a t e rh e a ta d v e c t i o ni sc o u p l e d b a s e do np o r o u sm e d i u mt h e o r y , t h e g h e sm a t h e m a t i c a lm o d e lu n d e rc o u p l e dh e a tc o n d u c t i o na n da d v e c t i o ni s e s t a b l i s h e d 、j l ，i t l l c o r r e s p o n ds i m p l i f i c a t i o n s t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h e p e r f o r m a n c eo ft h eg h e 祈lg r o u n d w a t e ra d v e c t i o ni sa n a l y z e d b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es o i lh e a tt r a n s f e ra r o u n ds i n g l eu - p i p e u n d e r g r o u n dc o u p l e dh e a tc o n d u c t i o na n dg r o u n d w a t e ra d v e c t i o n ，3 - d i m e n s i o n a l t r a n s i e n th e a tc o n d u c t i o na n dc o u p l e dt h e r m a lc o n d u c t i o na n dg r o u n d w a t e r a d v e c t i o nm o d e la r ee s t a b l i s h e di ns o i la r o u n dp i p e su n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r , d i f f e r e n tb u r i e dp i p ea r r a n g e m e n tm o d e si ns u m m e r , s o i lt e m p e r a t u r ef i e l da r o u n d b u r i e dp i p e s 、加t hd i f f e r e n tp i p ea r r a n g e m e n tm o d e si ns u m m e ra n dd i f f e r e n tp i p e 哈尔滨 二程大学硕士学佗论文 s p a c i n ga r es i m u l a t e d t h ec o n c l u s i o ni sv a l u a b l et oe n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：g s h p ：u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r ；c o u p l e dh e a tc o n d u c t i o na n d g r o u n d w a t e ra d v e c t i o m n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：h e a tt r a n s f e re f f e c t ； 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明i 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：骀袍他 日期： 孑护7 年6 月】j 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：羿书他 日期：扣1 年6 月叫日 挈c 擀：率鸱 扣) 歹年( 7 月叫曰。 。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 随着经济发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热及空调已 成为普遍的需要，由此带来的能源供应紧张已经成为当今世界面临的一个共 性问题。空调系统需要消耗大量的电能和燃料，在发达国家中，供热和空调 的能耗可占到社会总能耗的2 5 4 0 i l j ，而且空调能耗持续以4 5 的 速度增长。我国的能源结构主要是依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃 烧产生大量的污染物，因此在我国经济持续快速发展的现在，空调的普及所 带来的节能和环境问题，已经成为我国经济发展中的一个重要议题，我们必 须寻找新的能源、或者尽量利用可再生能源，并且提高能源的利用效率，以 减少能源消费，减轻能源污染，实现我国可持续发展战略。 1 9 9 2 年联合国环境与发展大会上将可持续发展写入到2 1 世纪议程1 2 1 ， 可持续发展已经成为2 1 世纪各国发展的共同方向和人类社会发展的共识。可 持续发展，是人口、经济、社会、环境和资源相互协调的发展，是既能满足 当代人的需求，而又不对满足后代需求的能力构成威胁的发展。 可持续发展的关键在可持续，核心是环境与资源保护，也包括能源的开 发和利用。在这方面，可持续发展的主要要求是：加强能源开发、利用的规 划和管理，最大限度的减少能源开发和利用过程中对环境和生态的破坏：大 力发展可再生能源和清洁能源；转变生产和消费方式，节约能源资源，依靠 科技进步，提高能源利用率，实现能源开发和利用的现代化。 从能源发展战略来看，人类必须寻求一条可持续发展的能源道路，以及 如何走出一条将能源与环境有机结合的发展模式，而关键则是要建立可持续 发展的能源系统和高效、洁净的利用技术，并且尝试解决能源利用与环境协 调相容的难题。这就要求我们积极努力改变能源利用方式，如：改进现有的 能源利用技术，合理利用能源，包括提高能源利用率，降低污染排放；把能 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 源按质区分，梯级利用；开发利用能源，如太阳能、风能、海洋能、地热能、 核能等。这是人类必须寻求的一条能源、环境可持续发展的战略道路。 地表浅层土( 可称为地表) 如同一个巨大的太阳能集热器，收集了4 7 的太阳能，比人类每年利用能量的5 0 0 倍还多。这种近乎无限、不受地域限 制的低焓热能，是人类可以利用的清洁可再生能源。并且地表能不象太阳能 受气候的影响，也不象深层地热受资源和地质结构的限制。为了对如此丰富 的能源加以利用，地源热泵便应运而生了p j 。 1 2 地源热泵 地源热泵系统是一种利用地下浅层的热资源，通过输入少量的高位能( 如 电能) ，将低温位能向高温位能转移，以实现既可供热又可制冷的高效节能 的绿色空调系统。地源热泵利用土壤一年四季温度稳定的特点，冬季把土壤 能作为热泵供暖的热源，即把高于环境温度的地能中的热能取出来供给室内 采暖，夏季把土壤能作为空调的冷源，即把室内的热能取出来释放到底于环 境温度的土壤中。通常土壤源热泵消耗l k w 的热量，用户可以得到4 k w 左 右的热量或冷量，从而达到节能的目的，而且在系统运行过程中，不产生任 何有害物质，实现了环保的功效。土壤源热泵在我国有着广阔的应用前景， 也必将产生巨大的经济效益和社会效益。 1 2 1 地源热泵系统的工作原理和分类 地源热泵系统由三部分组成：室外地热能交换系统、水源热泵机组及建 筑物内空调末端系统。室外地热能交换系统即指地埋管地源热泵系统中的地 下埋管换热器、地下水地源热泵系统中的水井系统及地表水地源热泵系统中 的地表水换热器。水源热泵机组有水一空气热泵机组和水一水热泵机组两种 形式。与此相应的空调系统有水一空气空调系统和水一水空调系统。地源热 泵系统三部分之间靠水( 或防冻水溶液) 或空气换热介质进行热量的传递。 水源热泵机组与地热能交换系统之间的换热介质通常是水或防冻水溶液，与 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ 建筑物内空调末端挟熟的介质可以是水或空气。 图i i 为采用水空气水源热泵机组的地埋管地源热泵系统工作原理图。在 夏季，水源热泵机纽作制冷运行，水源热泵机组中的制冷剂在蒸发器( 负荷 侧换热器7 ) 中，吸收空调房间放出的热量，在压缩机4 的作用下，制冷剂 在冷凝器( 冷热源侧换热器3 ) 中，将在蒸发器中吸收的热量连同压缩机的 功转化的热量，一起捧给地埋管换热器中的水或防冻术溶液。在循环水泵2 韵作用下，水或防冻水溶液再通过地埋管换热器，将在冷凝嚣所吸收的热量 传给土壤。如此循环，结莱是水源热泵机组不断从室内取出多余的热量，并 通过地埋管换热器，将热量释放给大地，达到使房间降温的目的。冬季，水 源热泵机组作制热运行，换向阀5 换向( 制冷剂按图中虚线箭头方向流动) 。 水或防冻水溶液通过地埋管换热嚣1 从土壤中吸收热量，并将它传递给水源 熟泵机组蒸发器( 冷热源侧换熟器3 ) 中的制冷荆，制冷剂再在压缩机4 的 作用，在冷凝器( 负荷侧换热罂7 ) 中，将所吸收的热量连同压缩机消耗的 功转化的热量，一起供给室内房问，如此循环达到向房间供热的目的1 4 j 。 1 地埋管挠热器2 艟环水泵3 艟热源侧换热嚣事压缩机s 嵌向褥6 _ 节流装置 7 负荷侧换热器擘_ 承空气水源热泵帆组 圈ll 地埋管地滚热泵系统原理圈 哈尔滨t 稃大学硕七学位论文 地源热泵按照室外换热方式不同可分为三类【5 j ：地下埋管系统、地下水 系统、地表水系统，本文主要讨论的是采用地下埋管换热器的地源热泵。根 据循环流体是否为密闭系统，地源热泵又可分为闭环和开环系统。闭环系统 采用地下埋管方式( 垂直埋管或水平埋管) 或地表水安置换热器方式等。开 环系统采取抽取地下水或地表水方式。此外，还有一种“直接膨胀式 ，它 不象上述系统那样采用中间介质水来传递热量，而是直接将热泵的一个换热 器( 蒸发器) 埋入地下进行换热 6 1 。 1 2 2 埋地换热器系统 地源热泵与传统的空气源热泵系统相比，主要区别就在于室外埋地换热 器系统。埋地换热器的埋管形式主要有两种：垂直埋管和水平埋管。由于受 地域面积限制和地表面温度波动的影响，水平埋管换热器性能不及垂直埋管。 目前地源热泵系统主要采用垂直埋管换热器川嘲。 垂直埋管换热器根据埋管深度分为浅层( l o o m ) 三类；根据埋管形式不同，分为套管式、u 型管式等几种形 式。套管式换热器的外管直径一般为1 0 0 - 2 0 0 m m ，内管管径为1 5 - 2 5 m m 。 由于增大了埋管外壁与土壤的换热面积，因此其单位埋管管长的换热量高， 换热效率优于u 型埋管。其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较困难， 初投资比u 型埋管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏， 因此适用于深度_ 3 0 m 的垂直埋管。目前应用较多的是u 型埋管换热器。u 型埋管换热器是在钻孔的管井内安装u 型管，一般钻井孔直径为 1 0 0 1 5 0 m m ，井深l o o m ，u 型管径一般在5 0 m m 以下，主要是因为管内 流量不宜过大。其施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄 漏。有工程应用把u 型埋管捆扎在桩基的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，不 占用地面。根据建筑物大小和建筑物冷热负荷大小，埋地换热器系统中的钻 井孔的数目，少则一个，多则上百个，乃至更多。每个钻井孔与其它的钻井 孔的间距根据热泵系统的运行规律和土壤特性来决定，一般为3m ，q 5 m 。图 4 一：盏誊王叠銮兰要：箸鲨吝 _ 1 2 为一个埋地换热器系统的埋管示意图。 h 雪 q 高； 遗垦 国m - - 目 i 一 l 苣壹 g 目 嚣害影 醴12 埋地换熟嚣系统的埋管示意图 1 2 3 地源热泵的特点 地源热泵一般是将金属管或塑料管埋入地下，使盐水或乙二醇等管内循 环流体介质通过埋管和土壤进行热交换。由于地表浅层的温度一年四季相对 稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源 和空调冷源。这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率高许多， 因此可以节能，也可以大大节省运行费用。另外，地热能温度较为稳定的特 性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的离效性和经济性。而 目前使用广泛的空气源热泵系统，在冬季供暖时会受到室外空气温度和湿度 的制约，其供暖能力往往与所需供暧负荷不匹配，常需要增加辅助热源。且 在冬季空气源热泵的蒸发盘管容易结霜，使系统的效率降低，还需要融霜能 耗。与空气源系统相比州，地源热泵系统具备以下几个优点： ( 1 ) 士壤年温度波动小且相对稳定，一般认为。5 m 以下的土壤温度是 不随大气温度变化丽变化的，基本保持恒定温度。因此其温度在夏季低于大 气温度，冬季高于大气温度，理论上可以大大提高机组的效率。 ( 2 ) 室外空气的状态参数随地区和季节的不同而变化，对空气源熟泵的 容量和制热性能系数影响很大。当室外温度很低，要求供热量很大时，热泵 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 供热量与建筑物耗热量之间发生供需矛盾。室外温度愈低，热泵的制热性能 系数就愈低。当室外换热器表面温度低于空气露点温度，并且低于0 。c 时， 空气中的水分在换热器表面就会凝结成霜，致使空气源热泵的制热性能系数 和可靠性都会降低，土壤源则不存在这个问题。 ( 3 ) 土壤具有较好的蓄能作用。夏季从室内释放到土壤中的热量，可以 补偿冬季从土壤取出的热量，使土壤基本达到吸、放热平衡。 ( 4 ) 在室外空气温度处于极端情况时，对能源需求量处于高峰期，由于 土壤对地面空气温度波动有衰减和延迟作用，可以保证相对温度的供热和制 冷能力，而无需辅助热源和冷源，节能效果明显。 ( 5 ) 埋地换热器系统埋入土壤中，不占用地面空间，且没有风扇能耗和 噪音，转动部件较少，运行可靠。 但地源热泵系统也存在不少缺点和不足，主要有以下几点： ( 1 ) 土壤导热性能对埋地换热器的换热能力影响很大。由于我国幅员辽 阔，土壤地质情况也十分复杂，很难得到同一规律。目前只能通过几种典型 土壤类型，对埋地换热器换热性能进行研究。 ( 2 ) 连续运行时，土壤温度的变化会引起热泵的冷凝温度和蒸发温度发 生波动，导致运行工况不稳定。 ( 3 ) 由于土壤导热系数较小，导致埋地换热器的换热量较小，已有的研 究表明，其持续换热率为2 0 - - 4 0 w m ，一般为2 5 w m ，其实际换热率随当地 土壤成分而定。 ( 4 ) 由于埋地换热器换热率难确定且易波动，导致其管长估算困难，另 外埋地换热器设备的初投资较大。 ( 5 ) 地下埋地换热器出现泄露时，难检修。 ( 6 ) 空气源热泵可以在安装前可以调试检验，而地源热泵仅是在安装后 才能彻底的调试试验，评价方法不够准确。 综上所述，地源热泵技术能够在一定程度上可以缓解我国的能源压力， 又可以改善我国的能源结构，降低矿物燃料的使用量，增加可再生能源的份 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 额，充分发挥其节能和环保的优势。 1 3 地源热泵应用现状与前景 1 9 1 2 年瑞士人h z o e l l y 首次提出了利用土壤作为热泵系统的设想，随后 并申请了专利，冰岛人早在1 9 2 8 年，就在雷克雅未克建立了地热供热系统。 二十世纪五十年代欧洲和美国开始了研究利用地源热泵的第一次高潮。但当 时能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。瑞典安装了6 0 0 0 个水 平地下埋管系统，德国也有大量的此类工程出现。所有的地源热泵都只用于 供暖，且主要安装水平埋管。直到7 0 年代，石油危机把人们的注意力集中在 节能，高效益用能上，地热源热泵的研究进入又一次高潮。此时地下埋管已 由早期的金属埋管改为塑料管。 中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家利用地下土壤埋管地源热 泵( 埋深 4 0 0 米) ，主要用于室内地板辐射供热及提供生活热水。据1 9 9 9 年的统计，家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为9 6 ，奥地利为 3 8 ，丹麦为2 7 。在瑞士新建住房中，每4 幢就有1 2 幢装有土壤热泵系 统，其建筑密度( 按换热器长度与建筑面积的比值) 达到世界第一。 1 9 9 8 年美国商业建筑中土壤源热泵系统已占空调总量的1 9 ，其中新建 筑3 0 左右。基于2 0 0 0 年的数据表明美国是地源热泵普及最多的国家，全 国安装负荷量为4 8 0 万k w ，相当于安装1 2 k w 的机组4 0 万台，约占世界总 安装量的6 8 。其中垂直闭式井下热交换器是最多的一种形式，占4 6 ，而 水平式占其次约3 8 。开放式换热器并不多，只占1 5 。在日本地源热泵受 到重视是在1 9 9 0 年以后。主要是在以中国地区为中心的四周岛及九州地区的 空调和道路融雪等规模的利用。最后，日本国土资源省在其东北部成立了以 环境产业研究所科技力量为中心的道路融雪项目计划，项目实施以后收到了 很好的效果。 中国的土壤源热泵事业近几年已开始起步，且发展势头看好，越来越多 的用户开始熟悉地源热泵，并对其应用产生了浓厚的兴趣。国外的许多大的 7 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 - - - _ ii_tn ni i i i 公司和企业集团开始包括政府部门也都希望能够在中国推广土壤源热泵技术 和产品，同时，中国政府对此也有一定支持。2 0 0 0 年6 月，美国能源部( d o e ) 和中国国家科委联合在北京召开土壤源热泵的技术产品推广会，这是一个良 好的开端。 天津大学和天津安居工程办公室于2 0 0 2 年夏季建立了采用多种埋管方 式的组合型地源热泵技术系统，为天津梅江小区起步区3 7 0 0 多m 2 的综合办 公室提供供热各条，至今，运行效果良好，得到用户好评。相信，伴随着中 国加入w t o ，土壤源热泵技术会在中国有广泛的应用，且被越来越多的中国 用户接受。 与传统空调系统比较，土壤源热泵系统在运行费用( 主要包括能耗费用 和维护费用) 方面有较大的优势。但也有一些因素制约着土壤源热泵在国内 的发展应用。首先，土壤源热泵系统作为一项结合土壤经济学、钻探、制冷、 暖通空调等多学科知识的技术，影响因素是多方面的，要求各学科之间相互 合作、沟通，共同把这项技术规范化。其次，初投资费用较高，主要体现在 钻井费用上，这主要取决于土壤地质情况。土壤源热泵的初投资不仅包括传 统空调系统所需的地面上管路和设备的投资，还包括埋管投资、埋管敷设投 资以及购买敷设埋管所需土地的使用权或所有权的投资。初投资成为影响热 泵在发展中国家推广的重要因素之一。另外还有一些制约因素，如缺乏足够 的实际工程应用经验等。 随着科学技术水平的不断提高，对土壤源热泵的一些制约因素将会被逐 步克服。我国地域辽阔，各地的气候条件和土壤条件虽然各不相同，但大部 分地区夏热冬冷，都是适合于地源热泵发挥重要作用的地方。此外，根据地 源热泵系统的特点，还可以考虑在其他需要供热的行业使用：如现代设施农 业中温室需要提供的热水温度一般比空调系统低，夏季降温的要求也比空调 建筑低，利用地源热泵系统可以降低运行成本，很好地发挥其优点；在养殖 行业，需要提供合适的水温，也可以充分采用土壤源热泵系统。 由于在全世界范围要比以往更加关注能源、环境与可持续发展之间的关 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 系，并且我国由于以燃煤为主的能源结构已经造成了极为严重的大气污染。 因此，要实现经济的可持续发展，必须尽可能多地利用清洁的可再生能源， 同时加大节能的力度，而冬季供暖、夏季制冷的土壤源热泵系统式一个很好 的选择。 1 4 地源热泵的国内外研究情况 1 4 1 国内研究情况 我国在该领域的研究才刚刚起步，到2 0 世纪8 0 年代末才有少数单位先 后开展这项工作。但是受国际大环境的影响以及地源热泵的自身所具有的节 能和环保的优势，这项技术受到了国人越来越多的重视，该方面的研究也日 益活跃，近几年更取得了突破性的进展。 上世纪8 0 年代初，天津大学与天津商学院率先在地热供暖方面开展了一 系列理论和试验工作。到8 0 年代末，在结合国外有关的研究数据的基础上， 重点对螺旋管埋地换热器作了研究【1 1 1 4 】。 上世纪8 0 年代末，华中理工大学在国家自然科学基金的资助下，进行了 水平单管的换热研究，后来又进行了地下浅层井水用于夏季供冷和冬季采暖 的研究m 。但现在这方面的工作已经停止。 1 9 8 9 年青岛建筑工程学院同瑞典皇家工学院合作建立了我国第一个土 壤源热泵实验室，开始主要从事水平埋管的研究工作，后来在2 0 0 0 年又进行 了垂直u 型埋管地下换热的研究工作【1 5 a 6 1 。 1 9 9 8 年原重庆建筑大学建设了包括浅埋套管换热器和水平埋管换热器 在内的实验装置，在国家自然科学基金的资助下进行了垂直浅埋套管和水平 埋管换热器地源热泵的采暖和供冷特性研究f 1 7 , 1 8 1 。 1 9 9 8 年湖南大学建立了水平埋管地源热泵实验装置，进行了多层水平埋 管的换热特性研究【1 9 1 。 1 9 9 9 年同济大学在联合技术公司( u t c ) 的资助下，进行了为期多年的 9 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 i i 一项土壤太阳负荷热源的研究，重点针对长江中下游地区含水率较高的土壤 的蓄放热特性进行测试 2 0 , 2 1 1 。 山东建筑工程学院地源热泵研究所在该院学术报告厅设计安装了一个土 壤源热泵工程实例，是我国第一个自行设计施工并投入实际使用的闭式环路 地源热泵空调系统。该报告厅共两层，每层建筑面积为5 0 0 m 2 ，冷负荷为 1 1 0 k w ，热负荷为8 0 k w ，共钻孔2 5 个，每个钻孔深度6 2 m ，合计总钻孔长 1 5 5 0 m 。同时对地下埋管换热器的传热模型、土壤冻结对地热换热器的传热 影响、土壤源热泵系统运行工况及设计安装等方面进行了广泛研究，并开发 了用于单u 型管的地热换热器设计和模拟的计算软件“地热之星 2 2 也6 1 。 2 0 0 0 年天津大学建立了埋地螺旋管式地源热泵实验台，对螺旋盘管地源 热泵冬季供暖和过渡季制冷工况进行实验研究【2 7 1 。 2 0 0 3 年哈尔滨工业大学在对国外关于土壤耦合热泵系统及冰蓄冷技术 的发展和应用充分了解的基础上，以新技术改造传统技术，整合集成土壤耦 合热泵和冰蓄冷的技术要素和成果，提出了一种适合于以空调负荷为主，采 暖负荷为辅地区的全新空调系统形式，即土壤源蓄冷与耦合热泵集成系统。 该系统充分利用了冻土蓄冷技术和土壤源热泵系统的优点，将蓄冷装置转移 到土壤源热泵的地下埋管换热器系统中，使地下埋管换热器和蓄冷装置合二 为一，免除了传统蓄冷系统中占地面积大、耗资较多的蓄冷装置( 蓄冰桶或 蓄冷槽等) ，解决了蓄冷装置的占地面积和配置问题。该系统既达到电力削 峰填谷的目的，又实现了可再生能源在空调的应用【2 8 , 2 9 1 。 1 4 2 国外研究情况 早在1 9 1 2 年佐伊乖l j t 3 0 1 就提出了土壤源热泵应用的思想，但大规模的应 用直n - 战结束以后，才在欧洲和北美兴起。土壤源热泵的许多基础性理论， 包括至今仍被设计师们采用的“开尔文线源理论 等数学理论模型，提供了 大量的试验测试数据，为后来的研究提供了试验验证的基础。但到2 0 世纪5 0 年代中期第一波的研究高潮就基本上停f f ：t f 3 ，因为土壤源热泵的初投资 1 0 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 较高和当时的能源廉价等。1 9 7 3 年的世界性“能源危机 使土壤源热泵的 研究逐渐活跃。欧洲先后召开了5 次大型的土壤源热泵的专题国际学术会议。 当时瑞典就已试验安装了1 0 0 0 多套土壤源热泵装置1 3 。美国也在能源部( d o e ) 的直接资助下由一些国家实验室和大学等研究机构开展了大规模的研 究。1 9 7 8 年，b n l ( b r o o k h a v e nn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 制定了土壤源热泵的 研究计划，调查其作为空调系统的应用情况，并开发了一些研究成果。主要 是对土壤源热泵实际运行的计算机模拟等。h w w a 模型【3 2 】、i g s h p a 模型【3 3 1 、k a v a n a u g h 模型f 3 4 1 、e s k i l s o n 模型f 3 5 1 、h e l l s t r o m 模型p 6 l 和v c m e i 模型【3 7 】均是这一时期研究的优秀成果。资料研究表明：这一时期几乎所有的有关土 壤源热泵的研究工作都是在美国能源部的支持下，由美国多所大学和b n l 等国家级重点实验室进行的。这一时期的主要工作是对地埋换热器的地下换 热过程进行研究，建立相应的数学模型并进行数值仿真。 8 0 年代到9 0 年代初以来，以土壤源为代表的地能利用热泵研究热点依 然集中在地埋换热器的换热机理、强化换热及热泵系统与地埋换热器匹配和 安装布置技术等方面，而且在此期间，发表了大量有关土壤源热泵应用实例 分析的文章；同时开始研究不同热物性的回填材料对地下换热器换热的影响， 并利用热物性好的回填材料，以强化埋管在土壤中的导热过程，从而降低系 统初投资；而且对一些模型还开发出了程序包，相应地用于热泵系统能耗分 析计算和埋管设计。 近些年来，以欧美为主要代表的土壤源热泵系统的主要研究工作，已经 转向了土壤源热泵系统与整个空调系统的结合运行的研究，并着重于商业化 与市场化中的一些问题。主要方向转向了有关地埋式换热器的传热强化、土 壤源热泵系统仿真及最佳匹配参数的研究。美国从1 9 4 6 年开始对土壤源热泵 用地下盘管的结构形式、结构参数和管材进行了研究，当时主要集中于土壤 的传热特性、换热器形式以及影响埋管换热器因素等方面。七十年代末到九 十年代初，美国开始冷暖联供方面的研究，主要工作是对埋地换热器的地下 换热过程进行研究，建立了相应的数学模型并进行仿真。由于美国的气候条 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 件与中国很相似，因此研究美国的土壤源热泵应用情况对我国的发展有借鉴 意义。 1 5 软件介绍 1 5 1c f d 简介 传热与流体流动过程的预测可以通过两个主要的方法：即实验研究与理 论分析。 一个物理过程的最可靠的数据资料往往要由实验测量得到。采用全比例 设备进行实验研究，可以预测由它完全复制的同类设备在相同的条件下将如 何运行。但是在大多数情况下，这种全比例实验是极其昂贵的，而且往往也 是不可能的。而采用缩小比例的模型来取代虽然能在一定程度上弥补这一点， 但是并不是总能模拟全比例设备的各方面的特征。很幸运，数值方法的发展 以及大型数字计算机的采用，使得人们能有可能对几乎所有一个实际问题求 出数学模型的隐含解。而且理论计算具有成本低、速度快、资料完备、具有 模拟真实条件的能力、具有模拟想象条件的能力等优点，所以在对实验研究 不能达到的领域取得了很大成剁弼j 。 c f d 软件是计算流体力学( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 软件的简称， 是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过c f d 软件，可 以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时问内，能预测性能，并 通过改变各种参数，达到最佳设计效果。c f d 的数值模拟，能使我们更加深 刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和 时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了 基于现有流动理论的商用c f d 软件。商用c f d 软件使许多不擅长c f d 的其 它专业研究人员能够轻松地进行流动数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、 重复性的程序中解放出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物 1 2 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 理本质、问题的提法、边界( 初值) 条件和计算结果的合理解释等重要方面， 这样最佳地发挥了商用c f d 软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力 优势，为解决实际工程问题开辟了道路。 使用c f d ，首先得建立想研究的系统或装置的计算模型；然后将流体流 动的物理特性应用到虚拟的计算模型，c f d 软件将输出想要的流体动力性 质。c f d 是一种高级的分析技术，它不仅可以预测流体的行为，同时还可以 得到传质( 如分离和溶解) ，传热，相变( 如凝固和沸腾) ，化学反映( 如 燃烧) ，机械运动( 涡轮机) ，以及相关结构的压力和变形( 如风中桅杆的 弯曲) 等等的性质。 之所以要使用c f d ，至少基于以下三点：1 、通常的系统是很难模型化 的，而c f d 的分析能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和现象，因为 c f d 对你的设计有很强的理解和可视能力。2 、c f d 能够快速的给出你想要 的结果，一旦你给定你的问题的参量；这样你才有可能在很短的时间内调整 你设计的问题的参数，得到最好的优化结果。3 、采用c f d 是一种十分经济 的做法。由于它的开发周期短，因此能节省大量的人力物力，使产品能更快 的进入市场。 1 5 2f l u e n t 简介 f l u e n t 是目前国际上比较流行的商用c f d 软件包，在美国的市场占有 率为6 0 。举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有 丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，灵活的非结构 化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型。采用了多种求解方法 和多重网格加速收敛技术，因而f l u e n t 能达到最佳的收敛速度和求解精 度。使f l u e n t 在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋 转机械、动变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。 f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出发，针 对各种复杂流动的物理现象，f l u e n t 软件采用不同的离散格式和数值方法， 1 3 哈尔滨t 释大学硕士学位论文 以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而 高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，f l u e n t 开发 了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、 化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共 同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大 方便了用户。 1 6 本文主要工作 ( 1 ) 研究含有地下水渗流的土壤特性。主要说明有关土壤多孔特性的两 个参数：孔隙率和渗透率，并在多孑l 介质基本理论基础上简述商用计算软件 f l u e n t 中多孔介质模型的特殊处理方式。 ( 2 ) 建立基于多孔介质模型的土壤源热泵地下埋管换热器的物理模型和 数学模型。 ( 3 ) 对热渗耦合作用下的换热器模型进行数值模拟，获得埋管换热器周 围土壤温度场分布，分析不同土壤渗透率以及有无渗流存在时对土壤换热的 影响。对土壤进行分层，考虑渗流层土壤在地埋管换热器中所占的比例，分 析所占比例不同对土壤换热的影响。 ( 4 ) 埋地换热器管群土壤内热渗耦合数值模拟，为保证地下埋管的正常 换热效果和长期使用，埋管数量、埋管深度和管与管之间的间距都将成为系 统能否长期稳定运行的关键。在对单u 型埋地换热器周围土壤内热渗耦合数 值模拟计算基础上，研究不同埋管布置方式和不同埋管间距对埋地换热器系 统运行效果的影响。 1 4 哈尔滨1 二程大学硕+ 学位论文 i i i 第2 章地下埋管换热器传热理论分析 2 1 多孔介质理论 所谓多孔介质，是指多孔固体骨架构成的孔隙空间中充满单相或多相介 质。固体骨架遍及多孔介质所占据的体积空间，孔隙空间相互连通，其内的 介质可以是气相流体、液相流体或气液两相流体f 3 9 】。 2 1 1 多孔介质的基本参数 1 、孔隙率 孔隙率( p o r o s i t y ) 是指多孔介质内的微小空隙的总体积与该多孔介质的 总体积的比值。可由公式( 2 1 ) 计算： 1 7 ：量监1 0 0 ( 2 一1 ) 哆孔 孔隙率通常分为两种：多孔介质内部相互连通的微小空隙的总体积与该 多孔介质的外表体积的比值称为有效孔隙率；而多孔介质内相通的和不相通 的所有微小空隙的总体积与该多孔介质的外表体积的比值称为绝对孔隙率或 总孔隙率f 捌。 孔隙率与多孔介质固体颗粒的形状、结构和排列有关，是影响多孔介质 内流体传输性能的重要参数。实际所接触的多孔介质的孔隙结构都是不均匀 的，在不同区域的孔隙率也是不同的，因此孔隙率是多孔介质的结构和空间 位置的函数。b e n e n a t ia n db r o s i l o w 4 0 1 和r 0 b l e e 【4 1 】等人的研究都表明在近壁面 处体积孔隙率的值有较大的波动。f ua n dh u a n g 叼研究了任意孔隙率模型对 多孔介质换热性能的影响。 2 、渗透率 渗透率( p e r m e a b i l i t y ) 是由达西定律所定义的，它是多孔介质的一个重 要特性参数，表述了一定流动驱动力推动下，流体通过多孔材料的难易程度。 1 5 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 达西定律一般用公式( 2 2 ) 计算： 甜：一一k _ o p ( 2 - 2 ) ( 式中，o p o 为流动方向上的压力梯度；j i 为渗透率；a 为流体的黏度； 材为流体在孔隙中的流速。 物理系统的渗透率计量单位为c m 2 ，因而它具有面积的因次，那么其物 理意义十分明显。可将渗透率理解为它代表了多孔介质中孔隙通道面积的大 小和孔隙弯曲程度。渗透率越高，多孔介质孔道面积越大，流动越容易，可 渗性也越好。 2 1 2 多孔介质传热与流动的理论基础 1 、连续性方程 多孔介质的宏观质量守恒方程可以表示成公式( 2 3 ) ： 掣+ v ( ) ：0 ( 2 - 3 ) d l 式中：矽为多孔介质的孔隙率，如果是非均匀介质，则是空间位置的 函数；p 为流体的密度( k g m 3 ) 。如果流体为不可压缩流体，p 为常数，如 果为气体，假定其为理想气体，n p = p l ( r 。r ) a 其中，毽为气体常数；v 为流体的表观速度，可以通过达西定律求得，也可以通过实验验证。 2 、运动方程 在工程中经常遇到的主要流态是多孔介质中流体的层流流动。尼为1 1 0 属于层流流动时，流体的容积流量与压力、重力及黏性力的关系服从达西定 律。从系统的宏观控制单元出发，可推导得到运动方程即达西定律的宏观表 达式。 1 6 哈尔滨工程大学硕十学伊论文 1 ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i q a p e 图2 1各向同性、均匀、竖直多孔体控制单兀不恿图 假设在一各向同性、均匀多孔介质中取一控制体，其截面积为4 ，高度 为三，孔隙率为，如图2 1 所示。设压力肋大于p ，且不随时f b - j 亓i i 变，流体 自下而上流动。显然，这是单相流体通过多孔介质的一维稳态流动问题。其 容积流量为g ，( m 3 s ) ，作用于流体上的作用力有： 压力差所引起的作用力r ： c = 0 ：一p l 妇( 2 - 4 ) 重力忍： 以= p ( 谚a l ) g ( 2 5 ) 粘性阻力兄： 瓦= c a ，l ( 2 6 ) 式中，c 为常数( 1 m 2 ) ，它与多孔介质比面q 成正比。实际上，式( 2 - 4 ) 就是