（热能工程专业论文）地源热泵地下管群温度场的数值模拟.pdf

摘要 地源热泵是以地表能为热源( 或热汇) ，通过输入少量的高品位能源( 如电 能) ，实现低品位热能向高品位热能转移的热泵空调系统。地源热泵系统具有清 洁、高效、运行稳定等优点，在欧美已有数十年的历史，近年来在中国受到广泛 关注，并已开始得到利用。垂直u 型埋地换热器是目前最常用的一种地源热泵形 式，但由于对它的研究还不够完善，使地源热泵的应用在很大程度上受到了制约。 在地源热泵系统的设计中，对地下埋管换热器管群的换热能力及土壤温度场 分布的研究最为重要。合理的模型及准确的模拟可以为工程设计提供更准确的设 计基础和依据。既有的模型及模拟过程，通常忽略了管群间耦合、土壤的不均匀 性、地下渗流等因素的影响；且在计算结果的准确性方面也有待提高。 针对现有研究方法存在的问题，本文建立了垂直u 型埋地换热器管群以及周 围土壤温度场的数学模型，利用f l u e n t 软件进行模拟计算，分析了影响垂直u 型埋地换热器换热性能的各因素，如换热器循环水的进口温度、进口流速、土壤 初始温度、地下渗流等的作用规律；并对垂直u 型埋地换热器管群长期运行工况 进行模拟，分析间歇及连续运行模式下其换热性能及土壤温度的恢复等，为合理 设计地下换热器提供参考。 本文利用通用有限容积分析软件f l u e n t 对垂直u 型埋地换热器管群传热性 能以及周围土壤温度场进行模拟分析。通过更改计算模型中的各相关参数即可将 此方法应用于其他地区，解决了以往研究多针对短期工况且缺乏普遍适用性等问 题，为地下换热器模型的研究找到了新的途径。对合理设计地源热泵系统地下换 热埋管的埋深、数量及间距，以及提高热泵系统的性能系数和经济性，降低热泵 系统初投资都具有十分重要的意义。 关键词地源热泵管群土壤温度场u 型竖直埋管换热器 a b s t r a c t g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p ( g s h p ) i sh e a tp u m pa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw h i c h u t i l i z e st h ee a r t hs u r f a c ee n e r g ya st h eh e a ts o u r c eo rh e a ts i n k s ，a n dr e a l i z e s t r a n s f e r r i n gl o w g r a d eh e a te n e r g yt oh i g h - g r a d eh e a te n e r g yb yi n p u t t i n gas m a l l n u m b e ro fh i g h - g r a d ee n e r g y ( e g e l e c t r i c i t y ) g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mi sa c l e a n ，e f f i c i e n t ，s t a b l es y s t e m ，a n dh a sb e e na p p l i e di ne u r o p ea n dt h eu n i t e ds t a t e s f o rs e v e r a ld e c a d e s i nr e c e n ty e a r s ，g h s pi sw i d e l yc o n c e m e di nc h i n aa n dh a s c o m ei n t oa p p l i c a t i o n v e r t i c a lu - t y p eu n d e r g r o u n dp i p eh e a te x c h a n g e ri st h em o s t c o m m o n l yu s e df o r mo fg s h p , b u tb e c a u s et h er e s e a r c ho nt h i sf o r mi sn o tp e r f e c t ， t h ea p p l i c a t i o no fg s h pi sr e s t r i c t e d i nt h ed e s i g no fg s h ps y s t e m ，t h er e s e a r c ho nt h eh e a te x c h a n g e rc a p a c i t yo f u n d e r g r o u n dp i p eh e a te x c h a n g e rg r o u pc a p a c i t ya n dt h es o i lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i st h em o s ti m p o r t a n t r e a s o n a b l em o d e la n de x a c ts i m u l a t i o nc a np r o v i d em o r e a c c u r a t ef o u n d a t i o na n db a s i sf o re n g i n e e r i n gd e s i g n e x i s t i n gm o d e l sa n ds i m u l a t i o n p r o c e s s u s u a l l y n e g l e c tt h ei m p a c to ft h e s ef a c t o r s ，s u c ha s ：t h ec o u p l i n gb e t w e e np i p e g r o u p s ，t h ea s y m m e t r yo fs o i l ，t h eu n d e r g r o u n ds e e p a g e ，t h eh e a tr e s i s t a n c eo fp i p e s u r f a c e ，s ot h ea c c u r a c yo ft h er e s u l t si nt h ec a l c u l a t i o nn e e d st ob ei m p r o v e d a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fe x i s t i n gr e s e a r c hm e t h o d s ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e sa m a t h e m a t i cm o d e lo fv e r t i c a lu - t y p eu n d e r g r o u n dp i p eh e a te x c h a n g e rp i p eg r o u p s a n da m b i e n ts o i lt e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dt h e nu s e st h es i m u l a t i o ns o f t w a r ef l u e n ta s t h es i m u l a t i n ga n dc o m p u t i n gt o o lt oa n a l y z ee a c hf a c t o rw h i c hi m p a c t st h e p e r f o r m a n c eo fv e r t i c a lu t y p eu n d e r g r o u n dp i p eh e a te x c h a n g e r , s u c ha s ：t h ei n l e t t e m p e r a t u r ea n di n l e tf l o wv e l o c i t yo ft h ec i r c u l a t i n gw a t e ro ft h eh e a te x c h a n g e r s ，t h e i n i t i a lt e m p e r a t u r eo fs o i l ，a n dt h eu n d e r g r o u n ds e e p a g e b e s i d e s ，t h i sp a p e ra l s o s i m u l a t et h el o n g - - t e r mo p e r a t i o nc o n d i t i o n so ft h ev e r t i c a lu - - t y p eu n d e r g r o u n dp i p e h e a te x c h a n g e r , a n da n a l y z ei ni n t e r m i t t e n ta n dc o n t i n u o u so p e r a t i o nm o d e ，w h i c h p r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h er a t i o n a ld e s i g no fu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r t h i sp a p e rs i m u l a t ea n da n a l y z et h eh e a te x c h a n g e rp e r f o r m a n c ea n da m b i e n t s o i lt e m p e r a t u r eo fv e r t i c a lu t y p eu n d e r g r o u n dp i p eh e a te x c h a n g e rp i p eg r o u p sb y u s i n gt h eg e n e r a l - p u r p o s ef i n i t ev o l u m em e t h o da n a l y s i ss o f t w a r ef l u e n t b y a l t e r i n gt h ec o r r e l a t i v ep a r a m e t e r si n t h ea c c u m u l a t i o nm o d e l ，t h em e t h o dc a nb e a p p l i e dt oo t h e ra r e a s ，s ot h i sp a p e rh a ss o l v e dt h ep r o b l e mo fl a c k i n gu n i v e r s i t ya n d a p p l i c a b i l i t yi nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h e s ，w h i c hm o s t l yf o c u s e do ns h o r t - t e r mo p e r a t i o n c o n d i t i o n s t h ed e s i g nm e t h o d sp r o v i d eb yt h i sp a p e ra r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r r e a s o n a b l ed e s i g no ft h eb u r yd e p t h ，t h en u m b e ra n dt h es p a c eo ft h eu n d e r g r o u n d p i p eh e a te x c h a n g e r si n t h eg h p s ，i m p r o v e m e n to fp e r f o r m a n c ec o e f f i c i e n ta n d e c o n o m i cb e n e f i to fh e a tp u m ps y s t e m ，a n dd e c r e a s eo fi n i t i a li n v e s t m e n to fh e a t p u m ps y s t e m k e y w o r d sg r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p ( g s h p ) ；p i p eg r o u p s ；s o i lt e m p e r a t u r ef i e l d ； v e r t i c a lu t y p eu n d e r g r o u n dp i p eh e a te x c h a n g e i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 地源热泵系统的特点2 1 3 地源热泵地下埋管换热器传热模型研究分析3 1 3 1 地下埋管换热器传热理论3 1 3 2 埋地换热器传热模型简介4 1 4 国内外研究现状5 1 4 1 国外研究现状5 1 4 2 国内研究现状7 1 5 主要存在问题9 1 6 本文主要研究内容1o 第2 章地源热泵地下管群换热模拟方法1 1 2 1 数值传热学求解问题的思想1 1 2 2 区域离散化方法13 2 3 离散格式比较15 2 4 非稳态问题时间积分方案1 6 2 5 流场数值解法16 2 6 近壁区采用的壁面函数法18 2 7 湍流模型19 2 8 本章小结2 0 第3 章地下管群换热的数值模拟2 1 3 1 应用软件介绍21 3 2 求解器的比较与选择2 2 i i i 3 3 地下管群换热器非稳态传热模型的建立2 3 3 3 1 几何模型与网格划分一2 3 3 3 2 模型的简化处理2 3 3 3 3 传热模型的建立一2 4 3 4 初始条件及边界条件设定2 7 3 4 1 土壤热物性参数一2 7 3 4 2 其它物性参数一2 9 3 4 3 边界条件一2 9 3 4 4 初始条件2 9 3 5 计算方法3 0 3 6 本章小结3 0 第4 章管群换热及周围土壤温度场分析3 1 4 1 连续运行时管群换热模拟分析3 1 4 1 1 土壤分层条件下管群连续运行时的换热模拟3 1 4 1 2 不同进口温度对管群换热的影响一4 2 4 1 3 不同进口速度对管群换热的影响一4 9 4 1 4 地下渗流对管群换热的影响一5 5 4 1 5 土壤初始温度对管群换热的影响一6 0 4 2 间歇运行时管群换热模拟及土壤恢复能力分析6 5 4 2 1 间歇运行时管群换热模拟一6 5 4 2 2 土壤恢复能力分析一7 6 4 3 本章小结7 9 第5 章结论与展望8 0 5 1 结论8 0 5 2 展望一8 1 参考文献8 2 攻读硕士学位期间论文发表情况及获奖励8 6 致谢8 7 i v 硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 能源和环境问题是当代人类面临的两个重大社会问题。能源是促进经济发展 的动力，是人类社会发展的物质基础，但随着世界经济和人e l 的迅速增长，能源 消耗急剧增加。能源的过度开发与消费累计的效应，产生了制约经济发展和影响 人类生存的环境污染问题，这已日益成为各国政府和公众关注的焦点。 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。如何走出 一条将能源利用与环境保护有机结合的发展模式，关键是要建立可持续发展的能 源系统和高效、洁净的利用技术，积极努力改变我们的能源利用方式，如：改 进现有的能源利用技术，合理利用能源，包括提高能源利用效率，降低污染排放； 把能源按质区分，梯级利用。开发利用新能源，如太阳能、风能、海洋能、地 热能、核能等。 地下土壤中存在着可为我们所利用的大量能源资源，且在数量上近乎无限， 不受地域资源的限制。研究表明：土壤能削减和延迟地表温度波的传递，所以 在地表下5 米以下地温一年四季随外界环境的变化波动很小，且约等于当地年平 均气温，可分别在冬夏两季提供较高的蒸发温度和较低的冷凝温度。根据热力学 原理，降低冷凝温度或提高蒸发温度都将提高制冷循环效率，节约能源。因此地 下土壤作为一种理想空调系统的冷热源，越来越受到国内外学者的重视。而地源 热泵正是以地表能为热源( 热汇) ，通过输入少量的高品位能源( 如电能) ，实现低 品位热能向高品位热能转移的热泵空调系统。冬季供热时，把地表中的热量“取” 出来，供给室内供热，同时向地下蓄存冷量，以备夏用；夏季制冷时，把室内热 量取出来，释放到地表中，向地下蓄存热量，以备冬用，所以地源热泵是可再生 能源利用技术。地源热泵系统只取热不取水，没有地下水位下降和地面沉降问题， 不存在腐蚀和开凿回灌井问题，也不存在对大气排热、排冷的热污染和排烟、尘、 水等污染，是真正的“绿色能源”。因此开展地源热泵的研究具有较高的理论意 义、实用价值和社会环保经济效益。 第一章绪论 1 2 地源热泵系统的特点 地源热泵是利用地下土壤温度相对稳定的特性，通过埋地换热器与大地进行 冷热交换，实现供冷供热的目的。冬季，地源热泵提取大地中的低位热能向建筑 物供热，同时储存冷量，以备夏用；夏季，将建筑物中的热量转移到地下，实现 供冷，同时储存热量，以备冬用。所以，地源热泵技术是一项高效节能、有利于 环境保护和可持续发展的空调冷热源技术。 进入2 1 世纪后，地源热泵研究工作和工程实践更是飞速发展，与空气热泵 相比，地源热泵系统更有以下优剧2 5 】： ( 1 ) 土壤温度全年波动较小且数值相对稳定，热泵机组的季节性能系数具有 恒温热源热泵的特性，这种温度特性使地源热泵比传统的空调运行效率要高 4 0 一6 0 ，节能效果明显。 ( 2 ) 土壤具有良好的蓄能性能，冬、夏从土壤中取出( 或放入) 的能量分别 可以在夏、冬季得到自然补偿。 ( 3 ) 当室外气温处于极端状态时用户对能源的需求量一般也处于高峰期，由 于土壤温度相对地面空气温度的延迟和衰减效应，因此，和空气热泵相比，它可 以提供较冷的冷凝温度和较高的蒸发温度，从而在耗电相同的条件下，可以提高 夏季的供冷量和冬季的供热量。 ( 4 ) 地下埋管换热器无需除霜，没有结霜与容霜的能耗损失，节省了空气源 热泵的结霜、融霜所消耗的3 3 0 的能耗。 ( 5 ) 地下埋管换热器在地下吸热与放热，减少了空调系统对地面空气的热、 噪声污染。同时，与空气源热泵相比，相对减少了4 0 以上的污染物排放量。 ( 6 ) 运行费用低。据世界环境保护组织( e p a ) 估计，设计安装良好的地源 热泵系统平均来说，可以节约用户3 0 4 0 的供热制冷空调的运行费用。 但从目前国内外对地源热泵的研究及实际使用情况来看，地源热泵系统也存 在很多缺点，其主要表现在： ( 1 ) 地下埋管换热器的供热脾1 2 1 z 厶匕i ：j 匕受土壤性质影响较大，长期连续运行时，热 泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发生波动。 硕士学位论文 ( 2 ) 地下埋管换热器的换热性能受土壤的热物性参数的影响较大。计算表 明，传递相同的热量所需传热管管长在潮湿土壤中为干燥土壤中的1 3 ，在胶状 土中仅为它的1 1 0 。 ( 3 ) 初投资较高。地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，还包括埋地盘管、埋地盘管敷设投资以及购买敷设盘管所需土 地的使用权或所有权的投资。仅地下埋管换热器的投资约占系统投资的2 0 3 0 。 ( 4 ) 现有技术不完善。由于各地的地质结构相差很大，造成埋地盘管与土壤 间的换热系数也相差很大，这在设计埋地盘管长度时将产生问题：若埋地盘管设 计过长，将会造成大量初投资浪费；若设计过短，不但满足不了设计工况要求， 还可能造成设备损坏。同时对于冬夏季冷热负荷不等的地区，地下埋管在全年中 排入土壤中的热量和从土壤中抽取的热量不等，这将导致地源热泵机组的运行特 性恶化，从而增加了运行费用，这在很大程度上都制约了地源热泵的应用。 1 3 地源热泵地下埋管换热器传热模型研究分析 地源热泵的制冷量或制热量依赖于地下埋管换热器与地下土壤的热量交 换。这种换热是种十分复杂的非稳态、无限大区域内的热、质交换过程。地源 热泵技术能否被广泛的推广应用，很大程度上取决于精确、可靠的系统设计方法 和计算工具的有效性。因此，完善地下埋管换热器的传热模型，使其更好的模拟 地下埋管换热器的真实传热过程，以及确定最佳的埋管换热器的尺寸、埋管深度 及埋管区域是发展和推广地源热泵系统的关键内容。 1 3 1 地下埋管换热器传热理论 地埋管换热器中的传热过程是一个复杂的、非稳态的传热过程，其所涉及的 时间长度很长，所涉及到的几何条件和物理条件也非常复杂。所以，至今在国际 上还没有一致公认的地埋管换热器的设计计算方法。到目前为止，已提出的地埋 管换热器传热模型有3 0 余种，有稳态的、动态的，有一维、二维、三维有限差分 法或二维有限元法等。所有模型建立的关键是求解土壤温度场的动态变化，基本 理论有三种h 引： 第一章绪论 1 1 9 4 8 年i n g e r s o l l a n d p l a s s 提出的线源理论，它是目前大多数地热源热泵 设计的理论基础； 2 1 9 8 3 年b n l 修改过的线源理论，它和线热源理论的不同点在于它考虑 了盘管内流体的流动性能特征； 3 。1 9 8 6 年v c m e i 提出的三维瞬态远边界传热模型，该理论建立在能量平 衡基础上，区别于线源理论，考虑了土壤冻结相界面的移动以及回填土等因素的 影响。 1 3 2 埋地换热器传热模型简介 地源热泵技术的发展及其推广应用，首先需要研究室外换热器的传热情况， 以及推出合理的设计方法。这不仅需要大量的实验，更需要精确、可靠、计算迅 速的换热模型。有关埋地换热器的传热，迄今为止还没有普遍公认的模型和规范。 国际上现有的传热模型大体上可分为两大类：第一类是以热阻概念为基础的解析 解模型，第二类方法以离散化数值计算为基础的数值解模型。 解析解方法是假定一些条件，将u 型管的实际传热过程进行简化，根据传 热方程得出方程的解析解，然后对理论计算结果进行一定的修正。 数值解方法是根据能量平衡方程和边界条件列出传热过程的微分方程，对 方程进行离散化处理，利用有限元或有限差分方法求出传热量和温度分布。 下面详细介绍这两种方法。 ( 1 ) 埋地换热器的解析解模型 对于埋地换热器，其整个传热过程实际上是一个复杂的非稳态的传热过程， 诸如土壤的热物性、含水量、土壤温度、埋管材料、管子直径、管内流体的物性、 流速等都对埋地换热器的传热产生影响。因此找到一个合适的有理论解的模型是 很困难的。国内外学者给出了多种解析解模型，但大多都进行了简化假设。在工 程应用的模型中通常都以钻孑l 壁为界，把所涉及的空间区域化分为钻孔以外的 岩土部分和钻孔内两部分，采用不同的简化假定分别进行分析。 通常的模型是以钻孔壁为界将埋地换热器传热区域分为两个区域。在钻孔 外部，由于u 型埋管的深度都远远大于钻孔的直径，因而u 型埋管通常被看成是 4 硕士学位论文 一个线热源或线热汇，这就是无限长线热源模型或将钻孔近似为一无限大的圆 柱，在孔壁处有一恒定热流，钻孔周围土壤同样被近似为无限大的传热介质，这 就是无限长圆柱模型。根据无限长线热源模型或无限长圆柱模型即可对钻孔外的 传热进行分析。 而在钻孔内部，包括回填材料，管壁和管内传热介质，与钻孔外的传热过 程相比较，由于其几何尺度和热容量要小得多，而且温度变化较为缓慢，因此在 运行数小时后，通常可以按稳态传热过程来考虑其热阻。 ( 2 ) 埋地换热器的数值解模型 数值求解方法是以离散数学为基础，以计算机为工具的一种求解方法。与 各种分析求解的方法相比，它在应用方面表现出很大的适用性，对于处理诸如非 线性、复杂几何形状、复杂边界条件的问题以及祸合的偏微分方程都能较好地解 决。目前用于求解偏微分方程的方法主要有有限差分法、有限元法和边界元法等。 在埋地换热器的设计中，目前多采用二维、瞬态的数值模型。首先通过一 系列的假定和简化，确定导热微分方程及钻孔的边界条件和初始条件，采用有限 元法对导热方程进行离散即可确定钻孔壁的温度分布，进而得到单位长度钻孔的 传热量。模拟过程包括确定导热微分方程、土壤的热物性、边界条件和初始条件 等。 1 4 国i 为j b 研究现状 1 4 1 国外研究现状 迄今为止，国际上现有的传热模型主要有以热阻概念为基础的解析解法模型 和以离散化数值计算为基础的数值解法模型。下面根据模型计算方法的不同将模 型分为三类，分别如下旷h 1 ： 采用解析法的传热模型：i g s h p a 模型、k a v a n a u g h 模型v c m e i 模型。 i g s h p a 模型：g s h p a ( i n t e r n a t i o n a l g r o u n d s o u r c e h e a t p u m p a s s o c i a t i o n ) 模型 是北美确定地下埋管换热器尺寸的标准方法。该模型以k e l v i n 线热源理论为基 础，以年最冷月和最热月负荷为计算依据来确定地下埋管换热器的尺寸，并利用 第一章绪论 能量分析的b i n 方法计算季节性能系数和能量消耗。该模型考虑了多根钻孔之 间的热干扰，及地表面的影响。但是没有考虑热泵机组的间歇运行工况、灌浆材 料的热影响、管内的对流换热热阻。实际应用表明，应用该模型计算换热器的尺 寸一般会偏大10 3 0 。 k a v a n a u g h 模型：k a v a n a u g h 以i n g e r s o l l 等改进的圆柱热源理论为基础，建 立了埋管( 柱热源) 到周围土壤随时间变化的温度分布传热模型。假设条件为：传 热以纯导热方式进行；土壤与埋管接触紧密；把土壤看作一无限大物体；土壤热 物性均匀且不变；无地下水流动；没有邻近管井的热干扰。该模型考虑了远边界 温度随深度和以年为单位的时间发生变化；对u 型管考虑了热流密度不均匀性 的修正，并且考虑了两管问热短路的修正。热泵机组的间歇运行工况采用叠加原 理来考虑；另外也考虑了管内的对流换热热阻。不足之处是它没有考虑回填材料 的热影响。 v c m e i 模型：该模型建立在能量守恒的基础上，由系统能量平衡结合热传导 方程构成。假设条件为：岩土是均匀的；埋管内同一截面流体温度、速度相同； 岩土热物性参数不变；不考虑热湿迁移的影响；忽略埋管与岩土的接触热阻。在 这些假设的基础上，该模型可以对各截面的径向传热建立方程，通过截面推移得 到三维温度场。 采用数值法的计算模型：v c m e i 和e m e r s o n 模型、n w w a 模型、 y a v u z t u r k 模型。 v c m e i 和e m e r s o n 传热模型：v c m e i 和e m e r s o n 在1 9 8 8 年提出的关于垂 直埋管的二维瞬态热平衡模型。假设条件为：土壤物性均匀一致；忽略接触热阻 及土壤湿迁移；忽略地表面的影响；埋管同一截面的流体具有相同的温度与流速； 忽略热短路的影响；忽略土壤在深度方向与圆周方向的导热。该模型适用于水平 管段，考虑了埋管周围冻土影响。 n w w a ( n a t i o n a l w a t e r w e l l a s s o c i a t i o n ) 模型：n w w a 模型是在k e l v i n 线热源 方程分析解的基础上建立岩土层的温度场，进而确定换热器的尺寸。它可以直接 给出换热器内平均流体温度，并采用叠加法模拟热泵间歇运行的情况。 y a v u z t u r k 模型：y a v u z t u r k 运用极坐标系( 径向一方位角方向) 建立了二维瞬 态热平衡模型。将u 型埋管的两根圆管分别采用非圆管近似代替，将管内流体 与土壤的对流换热( 即定热流边界条件) 作为离散方程中的源项处理。该模型假设 硕士学位论文 为：土壤热物性均匀一致；忽略接触热阻及土壤湿迁移；忽略地表面对地下换热 的影响；忽略沿深度方向的传热。 采用解析与数值混合解法的模型：e s k i l s o n 传热模型、h e l l s t r o m 模型。 e s k i l s o n 模型：e s k i l s o n 模型是基于有限线热源的数值解建立的。考虑了钻 孔深度的影响，结果更加精确。然而由于求解过程比较复杂，因此e s k i l s o n 考虑 采用“g 函数方法”对传热模型进行近似求解。e s k i l s o n 把钻孔内的热阻分为三 部分：两管脚之间的热阻以及每个管脚到钻孔壁的热阻，三者之和构成了钻孔的 总热阻，钻孔内传热认为是准稳态传热过程。该模型可以计算钻孔问的热影响， 还可以计算不同的建筑负荷。其缺陷是：不同钻孔布置的“g 函数”有限，钻孔面 积随钻孔深度变化。此外，模型还存在一个合理的时间步长，时间步长太小( 2 h ) ， 需要考虑流体、埋管以及钻孔的非稳态效应。 目前国外应用比较广泛的传热模型是：i g s h p a 模型，v c m e i 模型和 n w w a 模型。 1 4 2 国内研究现状 国内对地埋管换热器传热理论方面的研究起步较晚，而且多以实验研究为 主。主要研究成果有： ( 1 ) 同济大学张旭等人建立了一维非稳态传热模型。由于钻孔的深度远大于 其直径，因此，岩土和钻孔的回填材料中的轴向导热，与横截面内的导热相比可 以忽略不计。但由于u 型管的结构特点，钻孔横截面上的导热明显是二维的， 求解较为困难。因此，工程上采用的最简单的模型是把钻孔中u 型管的两个或 若干个支管简化为一个当量的单管，由此回避了u 型埋管各支管与钻孔不同轴 而带来的复杂问题，并进而把钻孔内部的导热简化为一维导热。显然，这样的模 型缺乏坚实的理论依据，过于粗糙，当然也无法讨论u 型管各支管的位置及其 相互问的传热对整个换热过程的影响。n 8 1 ( 2 ) 重庆建筑大学刘宪英、胡鸣明、魏唐棣等采用能量平衡法，结合v c m e i 三维瞬态远边界传热模型，建立了浅埋竖管土壤源热泵传热模型；按径向和管长 方向建立了二维温度场数学模型；其中包括单管间歇( 或连续) 运行传热模型、串 联套管传热模型、管群传热模型。该模型得到的理论值经过验证，比实验值低1 5 左右。 2 7 7 第一章绪论 ( 3 ) 一维和二维模型都因为没考虑流体温度沿程的变化，因此不能区分各个 横截面上的传热量，而且忽略了u 型管由于各支管中流体温度的不同而引起的 热流“短路 现象。因此，在二维模型的基础上，流体温度在深度方向的变化以 及轴向的对流换热量必须予以考虑。为保持模型的简明，钻孔内固体部分的轴向 导热仍忽略不计。哈尔滨工业大学范蕊，马最良提出了准三维非稳态u 型地埋 管换热器传热模型，以对土壤蓄冷与地埋管地源热泵系统进行研究，模拟值与实 验结果有较好的致性。除此之外，还建立了考虑热传导和地下水流动共同作用 下的地埋管换热器的传热模型，并且对单井地埋管进行了初步分析，结果表明地 下水渗流能够增强盘管的换热能力，有渗流的岩土体温度场相对于无渗流的近于 中心对称的岩土体温度场已经发生变形，因此如果地埋管埋在有渗流的岩土体中， 而在设计计算中未考虑渗流的影响，则会造成设计容量偏大，带来经济和资源上 的浪费。瞳7 5 1 ( 4 ) 山东建筑大学方肇洪、曾和义等人提出了u 型埋管换热器中介质轴向 温度的数学模型；开发了单根u 型管的地埋管换热器的设计和模拟计算软件“地 热之星”；提出了有渗流时地热换热器温度响应的解析解，建立了有地下水渗流 的地埋管换热器传热模型。n 旷2 6 1 ( 5 ) 其余考虑地下渗流影响的还有：天津大学建立了饱和型多孔介质套管式 换热器的理论模型，浙江大学建立了考虑地下水运动和考虑热湿迁移的地埋管换 热器的传热模型。乜2 1 目前已有多种地源热泵埋管换热器传热模型，很多研究者也对地下水渗流、 热湿迁移、土壤恢复能力等影响因素做了定性的分析，但是由于该问题的复杂性， 至今还未有深入的理论分析。再者，目前国内采用地源热泵系统的为大型建筑居 多，埋管数量多、管群耦合情况复杂，这与国外多在中小型建筑中采用不同。尤 其是对运行中的管群耦合、热量堆积、间歇运行等的研究，还不够深入。因此， 还需要进一步完善地埋管换热器的传热模型，这样的完善的模型对地源热泵技术 在我国，尤其是南方富水土壤地区的有效推广和应用有着极为重要的意义。 硕士学位论文 1 5 主要存在问题 通过以上的综述，可以发现国内对地源热泵埋管换热器的研究已较为广泛， 不过随着地源热泵技术的推广，热泵系统的长期运行，土壤热平衡问题也随之而 来，由于土壤温度的变化对热泵系统的运行性能有很大的影响，而地下土壤温度 可能会因为热泵系统和外界一些不可预测的因素发生变化，因此对地埋管周围土 壤温度场的研究对于推广地源热泵技术具有十分重要的意义。不过由于对土壤温 度的研究需时长、温度变化不明显、实验条件要求高等特点，使得研究的进展也 受到了一定的限制。 从前期的研究中可以发现，对地下埋管换热器周围温度场的研究现状及存在 的问题主要有以下方面： 建立地下埋管换热器周围温度场实验台，通过实验实测分析土壤温度变化 情况，此方法适合于实验研究和大型项目工程中。不过对于小型热泵系统来说， 实验台的投资费用使得研究受到了限制； 通过建立传热模型对土壤温度场的变化规律进行模拟研究，此方法也是目 前研究土壤温度场的最主要的方法。模拟不同地质条件、不同管径大小、不同运 行时间等条件下土壤温度分布情况，但由于模拟是按照假定的条件进行，与实际 运行结果会存在误差，而且对埋管周围热作用半径大小没有确定的限制，土壤温 度场变化与地下埋管换热器换热性能之间有什么样的关系没有作进一步的研究； 热渗共同作用下土壤温度变化的研究目前涉及的还少，主要研究集中在埋 管换热器周围传热，对水分迁移传质的研究不多，同时对热渗耦合的土壤温度场 的研究由于热力过程的复杂性也受到了一定的限制； 目前的研究集中在埋管定热流条件下土壤温度变化情况，而对于变热流工 况下埋管换热器周围的温度场变化规律研究较少； 由于建立完整的地源热泵系统地下埋管土壤温度场研究实验台，需要在埋 管换热器周围布置大量的测试井孔和温度传感器，这需要大量的科研经费，实验 条件的限制使得目前对土壤温度长度的研究大部分集中在理论分析和数值模拟， 并借助于工程应用软件a n s y s 、f l u e n t 等进行模拟分析，得到了一些研究成 果，但是由于缺少实验研究和验证，使得研究成果的应用推广受到了一定的限制。 第一章绪论 1 6 本文主要研究内容 在对国内外地源热泵研究的发展和现状的分析中发现，地下埋管换热器在土 壤中的传热特性始终是地源热泵研究的重点和难点。在对其传热模型的研究中， 大多研究者关注的是单个地下埋管换热器的传热模拟，很少有人对管群温度场的 传热进行研究。现有的研究管群温度场的模型大多都是在单孔模拟的基础上进行 线性迭加，不能准确和直观的反映出管群温度场的变化。然而在实际的地源热泵 工程中，地下埋管换热器系统往往是由多眼管孔构成的，这就需要建立一个以管 群温度场为研究对象的传热模型，并对埋地换热器的长期运行工况及其周围的土 壤温度场进行模拟分析，确定每一时刻的埋管周围土壤温度分布情况。 理想情况下，传热模型应能描述土壤热物性、密度、温湿度、管材、管径、 管中流体物性、流速，地下渗流等诸多因素对传热的影响，但这将使数学求解十 分困难，因此通常的研究都只能使用简化的传热模型。既有的模型及模拟过程， 通常做了一些假设，忽略了管群间耦合、土壤的不均匀性、地下渗流等因素的影 响；且在计算结果的准确性方面也有待提高。以往的研究更多的注重的是换热器 本身的换热特性分析，对实验数据的依赖性比较大，针对换热器周围土壤温度场 以及系统长期运行工况研究并不太多。 针对上述问题，本文主要进行以下研究： ( 1 ) 在分析和总结以往u 型地下埋管换热器传热模型的基础上，以地下管 群换热器周围土壤温度场为研究对象，利用传热学的基本理论和方法，用数值方 法对管群温度场进行求解，开展地下埋管换热的模拟研究。 ( 2 ) 对所建立的模型进行进一步的理论研究，对各影响因素，如管群间耦合、 换热器循环水进口流速、进口温度、土壤初始温度等进行研究分析，并找出其影 响规律，以便于优化垂直u 型埋地换热器的设计。 ( 3 ) 对垂直u 型埋地换热器管群以及周围土壤温度场模型进行长期运行工 况模拟。在考虑各种影响因素的基础上，以间歇及连续两种不同运行模式进行系 统长期运行工况模拟，分析地下埋管换热器管群长期换热效率、土壤温度恢复情 况等，为实际工程提供依据。 1 0 硕士学位论文 第二章地源热泵地下管群换热模拟方法 2 1 数值传热学求解问题的思想 数值传热学又称计算传热学，是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数 值方法通过计算机予以求解的- f 7 传热学与数值方法相结合的交叉学科【3 】。数值 传热学求解问题的基本思想是：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场 ( 如速度场，温度场，浓度场等) ，用一系列有限个离散点上的值的集合来代替， 通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程( 即离散方程) ， 求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。具体求解过程如图2 1 所示： 图2 1 数值模拟过程 f i g u r e2 1n u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o c e s s 第二章地源热泵地下管群换热模拟方法 ( 1 ) 建立控制方程。这是求解任何问题前都必须首先进行的。 ( 2 ) 确定边界条件与初始条件。初始条件与边界条件是控制方程有确定解 的前提，控制方程与相应的初始条件、边界条件的组合构成对一个物理过程完整 的数学描述。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情 况，对于瞬态问题，必须给定初始条件。边界条件是在求解区域的边界上所求解 的变量或其导数随地点和时间变化的规律。 ( 3 ) 划分计算网格。采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方 程在空间区域上进行离散，然后求解得到的离散方程组。要想在空间域上离散控 制方程，必须使用网格。目前，网格分结构网格和非结构网格两大类。 ( 4 ) 建立离散方程。对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有精 确解( 解析解) 的。但由于所处理的问题自身的复杂性，一般很难获得方程的真 解。因此，就需要通过数值方法把计算区域内有限数量位置( 网格节点或网格中 心点) 上的因变量当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数 方程组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位置上的 值则根据节点位置上的值来确定。 ( 5 ) 离散初始条件和边界条件。前面所给定的初始条件和边界条件是连续 性的，现在需要针对所生成的网格，将连续型的初始条件和边界条件转化为特定 节点上的值，连同在各节点处所建立的离散的控制方程，才能对方程组进行求解。 ( 6 ) 给定求解控制参数。在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施 加离散化的初始条件和边界条件后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经 验系数等。此外，还要给定迭代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频 率等。 ( 7 ) 求解离散方程。在进行了上述设置后，生成了具有定解条件的代数方 程组。对于这些方程组，数学上已有相应的解法，如g a u s s 消去法或g a u s s s e d i e l 迭代法等。 ( 8 ) 判断解