（热能工程专业论文）土壤源热泵u型管换热的数值模拟及软件的二次开发.pdf

硕士论文 摘要 本文在回顾了国内外土壤源热泵系统的研究进展，并对该系统的优缺点作了 分析和总结的基础上，利用商用f l u e n t 软件，采用有限容积法，建立了垂直u 型地埋管换热器的三维非稳态换热模型，给出数学模型、几何构造、网格划分、 单值性条件、物性参数以及数值模拟方法等完整数值模拟过程，并通过文献实验 验证了该种方法的可靠性。通过与线热源方法对比，无论是启动阶段还是准稳态 阶段三维非稳态数值解方法的精度更高，但线热源方法概念清晰，计算简便，在 实际工程中很容易被接受和掌握。深入讨论了将地表边界条件简化为绝热边界条 件以及将多层土壤通过加权平均的方法简化成单层土壤的合理性，计算误差均满 足工程要求。 深入研究垂直u 型地埋管非稳态热渗耦合换热，考虑了土壤热物性、管内流 速、渗流速度以及回填材料的导热系数对地埋管换热影响。计算结果表明，地埋 管的换热量与土壤导热系数、管内流速、回填材料的导热系数及渗流速度成正比。 其中以地下水渗流对换热影响最为显著，而且渗流速度越大，地埋管的换热稳定 时间越短，土壤圆周方向上各点过余温度的差别也越大，地温恢复越快；地埋管 的平均热作用半径与土壤的热扩散系数成正比，而管内流速和回填材料导热系数 的影响均不明显；通过非线性拟合方法，分别得到平均每天换热量与管内流速、 渗流速度以及回填材料导热系数函数关系式。在置信区间9 5 内，这些关系式的 相关性系数均高于9 9 o 。 考虑到数值解方法前处理过程，既繁琐又费时，本文在商用f l u e n t 软件基础 上，利用v b 编程语言对垂直u 型地埋换热进行软件二次开发，采用命令流软件 接口技术，充分利用各个软件的特点，实现了软件界面直观，操作简单，能完成 模拟的前处理和计算全过程。对于垂直u 型地埋管换热器数值模拟的研究具有很 好的辅助作用。 关键字：土壤源热泵垂直u 型地埋管数值模拟热渗耦合软件开发 a b s l r a c t a b s t r a c t 1 1 1t m sp 印e r , v i e wt h ei n t e r n a la n do v e r s e a sa c h i e v e m e n to fg r o u n ds o u r c e h e a tp u m p ，a n da n a l y z ei t sa d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e e s t a b l i s h i n gan u m e r i c a l m o d e lo fv e r t i c a lu t u b eu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e rw h i c hi st h r e e - d i m e n s i o na n di n u n s t e a d y - s t a t eb yu s i n gf i n i t ev o l u m e m e t h o do ft h ec o m m e r c i a lf l u e n ts o f t - w a r e ，a n d a l s o g i v e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，g e o m e t r y , m e s h ，s i n g l e - v a l u e dc o n d i t i o n s ， p h y s i c a lp a r a m e t e r s ，a sw e l la sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， t h e nc o n f i r m st h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o db ya ne x a m p l e a tt h es a m et i m e ，c o m p a r e w i t ht h e1 i n e - h e a t r e s o u r c em e t h o d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dh a sh i g h e ra c c u r a c y n om a t t e ro nt h es t a r t - u ps t a g eo rq u a s i s t a t es t a g e ，b u tt h el i n e - h e a t - r e s o u r c em e t h o d i sc l e a ri nc o n c e p ta n ds i m p l ei nc a l c u l a t i o n ，a n de a s yt ou n d e r s t a n da n dc o m m a n d i n d e p t hs t u d yo nt h er a t i o n a l i t y i nt w oc a s e s ：o n ei ss i m p l i f y i n gt h es u r f a c eb o u n d a r y c o n d i t i o n st oa d i a b a t i cb o u n d a r yc o n d i t i o n s ；t h eo t h e ri ss i m p l i f y i n gm u l t i l a y e rs o i l t os i n g l e 1 a y e rs o i lb yw e i g h t e da v e r a g em e t h o d ，a n dc a l c u l a t i o ne r r o r sm e e tt h e e n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s r e s e a r c ho nt h eh e a tt r a n s f e ro fc 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 no fv e r t i c a lu t u b eu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e rw h i c hi si nu n s t e a d y - s t a t e u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s a n a l y s i st h ee f f e c to fs o i lt h e r m a lp r o p e r t i e s ，f l o wv e l o c i t y i np i p e ，s e e p a g ef l o ws p e e da n dt h eb a c k f i l lm a t e r i a l o nt h ev e r t i c a lu - t u b e u n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e r c a l c u l a t i o n ss h o wt h a th e a tt r a n s f e ri sp r o p o r t i o n a lt ot h e s o i lt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , f l o wv e l o c i t yi np i p e ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fb a c k f i l l m a t e r i a la n dg r o u n d w a t e rs e e p a g ef l o wv e l o c i t y a n dg r o u n d w a t e rs e e p a g ep l a y sa n i m p o r t a n tr o l eo nh e a tt r a n s f e r , w h i l eo u t f l o wv e l o c i t ya n dt h es t a b i l i t yt i m eo fh e a t t r a n s f e ra r ed e c r e a s e dw i t hg r o u n d w a t e rs e e p a g ef l o wv e l o c i t y a tt h es a m et i m e ，t h e g r e a t e rt h ef l o wv e l o c i t y , t h eb i g g e rt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo f s o i lc i r c u m f e r e n t i a l d i r e c t i o ni s t h ef a s t e rt h er e s t o r a t i o no fg r o u n dt e m p e r a t u r e t h ea v e r a g eh e a tr a d i u s o fu n d e r g r o u n dh e a te x c h a n g e ri sp r o p o r t i o n a lt ot h es o i lt h e r m a lc o n d u c t i v i t y t h e d e g r e eo fe f f e c to ff l o wv e l o c i t ya n dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fb a c k f i l lm a t e r i a lo n a v e r a g eh e a tr a d i u si sv e r ys m a l l t h r o u g hn o n l i n e a rf i t t i n gm e t h o d s ，r e s p e c t i v e l y f o r t h ea v e r a g ed a i l yh e a tt r a n s f e ra n df l o wr a t ei np i p e ，f l o ws p e e da n dt h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fb a c k f i l l m a t e r i a l sf u n c t i o nr e l a t i o n s h i p i n9 5p e r c e n tc o n f i d e n c e i n t e r y a lt h e s ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sb e t w e e nr e l a t i o n a le x p r e s s i o n sa r eh i g h e rt h a n 9 9 0 i i 硕士论文 b a s e do nt h ec o m m e r c i a lf l u e n ts o f t w a r e ，u s i n gv bp r o g r a m m i n gl a n g u a g eo n t h eb u r i e dv e r t i c a lu t y p eh e a te x c h a n g e rf o rt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs o f t w a r e ， c o n s i d e r i n g t h a tt h e p r e p r o c e s s o fn u m e r i c a lm e t h o di s c o m p l i c a t e d a n d t i m e c o n s u m i n g t h eu s eo fo r d e rf l o ws o f t w a r ei n t e r f a c et e c h n o l o g y , t a k ef u l l a d v a n t a g eo fa l lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o f t w a r et o a c h i e v ea ni n t u i t i v es o f t w a r e i n t e r f a c e ，s i m p l eo p e r a t i o n ，t oc o m p l e t e t h es i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o no f p r e t r e a t m e n tp r o c e s s w h i c hp l a y sav e r yg o o ds u p p o r t i n gr o l et ot h ev e r t i c a lu - t u b e h e a te x c h a n g e rt ot h es t u d yo fv e r t i c a lu t u b eh e a te x c h a n g e r k e y w o r d s ：g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ；v e r t i c a lu - t u b em u l t i - - b o r e h o l e s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c 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 ra d v e c t i o n ； s o f t w a r ed e v e l o p m e n t i i i 目录 目录 摘要i 第1 章绪论1 1 1 地源热泵系统简介1 1 1 1 地源热泵系统1 1 1 2 土壤源热泵系统2 1 2 课题背景及意义2 1 3 文献综述3 1 3 1 国外的发展状况3 1 3 2 国内发展及研究状况4 1 4 问题的提出5 1 5 本文研究的主要内容一6 第二章土壤源热泵地埋管换热器的研究方法7 2 1 土壤源热泵的地埋管换热器的类型7 2 1 1 水平埋管换热器7 2 1 2 垂直埋管换热器7 2 2垂直u 型地埋管换热器传热模型概述7 2 2 1无限长线热源模型8 2 2 2无限长柱热源模型9 2 2 3有限长线源模型1 2 2 2 4 有限差分模型1 4 2 2 5二维有限容积法1 6 2 2 6 三维有限容积法1 8 2 3垂直u 型地埋管传热模型分析1 9 2 3 1垂直u 型地埋管换热器的分析解方法1 9 2 3 2垂直u 型地埋管换热器的数值解方法2 1 2 4硝、结2 2 第三章垂直u 型地埋管的数值模型以及合理简化方法2 3 3 1 概述2 3 3 2 三维非稳态传热模型的建立2 3 3 2 1 模型提出的假设2 3 3 2 2数学模型2 3 3 2 3几何模型2 6 3 2 4网格划分2 6 3 2 5边界条件2 7 3 2 6 初始条件2 8 3 2 7物性参数2 8 3 2 8 数值模拟方法2 8 3 3 模型的验证及适用性分析2 8 3 4 垂直u 型地埋管简化换热分析3 1 3 4 1 地表边界条件的简化3 1 3 4 2 多层土壤简化成单层土壤3 3 3 5 小结3 6 硕士论文 第四章垂直u 型地埋管换热的数值分析3 7 4 1 不同土壤的换热分析3 7 4 2 不同管内流速的换热分析3 9 4 3 不同回填材料导热系数的换热分析4 2 4 4 不同渗流速度下热渗耦合换热分析4 4 4 5 小结4 7 第五章垂直u 型地埋管数值模拟换热软件的二次开发4 9 5 1 二次开发软件的实现和特点4 9 5 1 1 开发工具4 9 5 1 2 软件的接口技术4 9 5 1 3 二次开发软件的主要特点5 0 5 2 换热模拟过程5 1 5 2 1 前处理5 1 5 2 2 换热计算5 3 5 3 算例5 4 5 3 1 工程概况5 4 5 3 2 前处理5 4 5 3 3 换热计算及结果5 8 5 4 结 吾6 1 第六章总结与展望6 2 6 1 本文主要工作6 2 6 2 本文的创新6 3 6 3后续研究及工作展望6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间成果7 0 致谢71 v 硕士论文 第1 章绪论 1 1 地源热泵系统简介 随着我国社会的发展和国民物资生活水平的提高，我国对能源的消耗也越来 越大，近年来我国是世界上第二大能源消费国和能源生产国【1 1 。虽然我国地大物 博，能源的储备总量大，但由于我国人口众多，人均能源储备低于世界平均水平。 因此，我国要想继续保持较高的经济增长速度，在能源方面的供给和支持将成为 很大的挑战。 由于我国能源消费结构仍然是以煤，石油等消耗型的矿产资源为主。而这些 矿产资源的燃烧会产生大量的污染物，如s 0 2 ，n o x ，温室气体c 0 2 等等，这些 气体对我们生存的环境造成了很大的破坏。我国s 0 2 ，c 0 2 排放分别为世界第一、 第二位，酸雨面积占国土的3 0 ，每年造成经济损失上亿元【2 1 。为了加强用能管 理，采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，从能源生产 到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和制止浪费，有效、合理地利用能源【3 1 。 近年来我国在不断调整能源消费结构，加大可再生能源在一次能源消费中的 比重，将由目前的7 提高到2 0 2 0 年的1 5 ，可替代化石能源4 亿吨标准煤， 减排二氧化碳1 0 亿吨，二氧化硫7 0 0 多万吨【1 1 。而地源热泵技术正是随着全球 性的能源危机和环境问题的出现逐渐兴起的一门可再生能源技术。截至2 0 0 6 年 底我国浅层地能热泵技术应用建筑面积为2 6 5 0 万平方米【4 1 。据推算，每推广1 0 0 0 万平方米的地源热泵技术可以节约5 6 万吨标准煤，减排烟气7 5 亿标准立方米， 减排颗粒物2 5 万吨，减排二氧化硫1 3 4 万吨，减排氮氧化合1 4 3 万吨，同时还 可减少每年供暖用煤的存放量，大大缓解运输压力，经济、社会效益显著【5 】。 热泵是利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置【6 7 】。而地源 热泵是一种通过输入少量的高位能( 如电能) ，实现从浅层地能( 土壤热能、地下水 中的低位热能或地表水中的低位热能) 向高位热能转移的热泵空调系统。因此， 地源热泵技术的应用是符合合理利用资源，节能降耗，保护环境的基本国策，同 时也体现了我国社会建设过程中经济，环境，能源的协调和可持续发展的要求。 1 1 1 地源热泵系统 地源热泵系统是一种广义的术语，包括了使用土壤、地下水和地表水作为低 位热源( 或热汇) 的热泵空调系统。即以土壤为热源或热汇的热泵系统称之为土壤 第一章绪论 耦合热泵系统，也称地下埋管换热器地源热泵( g r o u n d c o u p l e d 醌印p u m p ) ； 以地下水为热源或热汇的热泵系统称之为地下水源热泵 ( g r o u n d w a t e rh e a pp u m p ) ：以地表水为热源或热汇的热泵系统称之为地表水 源热泵( s u r f a c ew a t e rh e a pp u m p ) 。国内外有关地源热泵还有一系列其他术语， 如：地热热泵、地能系统、地源系统等，很不规范。1 9 9 7 年以后，由a s h r a e 统 一为标准术语地源热泵( g 阳“材一s o u r c eh e a pp u m p ，g s h p ) t 8 1 。本文主要研 究土壤源热泵系统。 1 1 2 土壤源热泵系统 土壤源热泵( g c h p ) 7 - 9 系统是利用土壤作为热源或热汇的闭式循环的热泵 系统。土壤源热泵系统在夏季的时候通过土壤耦合地热换热器向土壤释放热量， 并对建筑供冷，即把土壤当作热汇；而在冬季的时候，通过土壤耦合地热换热器 向土壤吸收热量，对建筑供热，即把土壤当作热源。土壤源热泵系统根据埋管方 式分主要有水平式埋管换热器热泵系统和垂直式埋管换热器系统。 土壤源热泵系统是浅层地能( 热) 利用的重要形式。由于其节能与环保上的 特点，土壤源热泵系统具有广阔的发展前景和极大的推广应用价值。关于土壤源 热泵系统应用技术的研究，呃是目前国际空调和制冷行业研究的前沿课题之一。 1 2 课题背景及意义 近年来我国经济的持续迅速发展，我国建筑能耗在能源消费总量中所占的比 例已从上世纪7 0 年代末的1 0 ，上升到近年来的2 7 5 e 埘，建筑采暖和空调 所消耗的能源不断增加。土壤源热泵系统采用的是可再生的地热能且可以减少对 环境的污染，是一项以节能和环保为特征的2 l 世纪的技术。它的优势主要体现 在以下几方面： ( 1 ) 土壤源热泵系统利用浅层土壤所储藏的太阳能和地热资源作为冷热源， 在利用可再生能源的同时，还可以减少锅炉的使用，减少对环境的污染，节约大 量的初投资【1 1 】。 ( 2 ) 土壤温度一年四季波动范围很小，使热泵机组运行稳定可靠，系统效率 和经济性良好7 1 。 ( 3 ) 运行费用相对空气源热泵低。设计良好的地源热泵机组的电力消耗，与 空气源热泵相比，减少3 0 左右【1 2 】。 硕士论文 ( 4 ) 可实现空调供冷与供暖，也可供生活热水，一机多用，节约设备用房。 特别是对于同时有供热和供冷需求的建筑物，地源热泵优点更加明剧1 2 】。 ( 5 ) 符合我国走可持续发展道路的要求，得到政府的大力支持【刀。 我国土壤源热泵系统在2 0 世纪8 0 年代才刚刚起步，关于土壤源热泵系统的 理论研究，实验研究以及工程设计等方面的研究还不完善，这在很大程度上限制 了土壤源热泵系统的应用，但在国家的积极倡导下，上个世纪9 0 年代以来得到 了迅速的发展。 1 3 文献综述 1 3 1 国外的发展状况 “地热源热泵”的概念最早出现在1 9 1 2 年瑞士的一份专利文献中【1 3 】。而土壤 耦合热泵技术的提出始于英、美两国。2 0 世纪4 0 年代末5 0 年代初，欧美开始 研究土壤耦合热泵，其主要的研究工作集中在土壤性质和土壤导热特性，地下盘 管的形式、盘管参数、管材及直接膨胀式系统对土壤源热泵性能的影响。但是由 于当时的能源价格低，土壤源热泵系统的初投资高，使得这种系统并不经济，还 存在着设计计算复杂、土壤对金属管道的腐蚀、金属埋管耗量大等原因，因此土 壤源热泵系统的应用受到很大的限南1 j 7 , 8 , 1 4 】。 2 0 世纪7 0 年代，世界出现“能源危机”，热泵以其节能的优势，促使人们重 新对其进行研究。在这期间，欧洲地源热泵更多的应用到实践中，所有的土壤源 热泵系统都只用于供暖，且主要安装水平埋管，积累了土壤源热泵的设计方法、 安装技术以及运行经验。美国的研究都在政府部门的支持下，研究工作主要集中 在土壤的导热性能、地下埋管换热器的传热特性、不同地下埋管换热器形式对换 热过程的影响及其模拟计算方法。在这个时期，世界能源组织成立了国际热泵委 员会。随后原苏联、英国、法国、联邦德国、丹麦、瑞典、挪威等国家都参加了 国际热泵委员会。土壤源热泵的大部分工作都在这一阶段完成，并完成商品化以 及大规模推广应用的准备工作【1 5 , 1 6 。 2 0 世纪8 0 年代以来地源热泵技术进入飞速发展的时期，北美国家的政府机 构和科研单位大力开发地源热泵的系统技术，美国能源部连续资助了2 所大学和 2 家公司的研究与开发机构，并在俄克拉荷马州立大学成立了国际地源热泵联合 会( i g s h p a ) e 1 7 】。地源热泵技术真正的商业应用也是在这个时期才开始的，如美 国截至1 9 8 5 年，全国共有1 4 1 0 4 台地源热泵机组，1 9 9 8 年商业建筑中地源热 第一章绪论 泵系统占空调系统总量的1 9 ，其中新建建筑占3 0 。在加拿大，从1 9 9 0 年到 1 9 9 6 年家用的土壤原热泵以每年2 0 递增。在中北欧国家，如瑞典，地源热泵 的市场比较成熟，瑞典全国已经了5 x 1 0 4 台为土壤源热泵机组。瑞士是世界上应 用地源热泵人均占有率最高的国家，至1 9 9 8 年土壤源热泵已占地源热泵安装市 场的7 0 以上，总数达到2 0 1 0 4 台以上。奥地利是一个独立发展地源热泵技术 的国家。地源热泵机组的生产和安装技术自成体系，1 9 9 5 年的统计资料表明， 奥地利的土壤源热泵占地源热泵安装市场的6 5 以上【1 6 】。 国外的土壤源热泵的研究理论，已提出的换热器传热模型据不完全统计大约 有3 0 种，一般分为解析解模型和数值解模型，具有代表性的基本理论有三种： ( 1 ) 1 9 4 8 年，i n g e r s o l l 和p l a s s 利用k e l v i n 的线热源理论提出的无限长线热源 理论【1 3 】，目前大多数地热源热泵设计是利用该理论基础，包括国际地源热泵协会 提出的设计方法也是以线热源理论为基础【1 。7 】- ( 2 ) 1 9 8 3 年，b n l 修改过的线源理论，它是将埋管周围的岩土划分为两个区， 即严格区和自由区，在埋管运行时，不同区之间的热传导引起该区的温度变化【1 8 】； ( 3 ) 1 9 8 6 年，v c a l 4 e i 提出的三维瞬态远边界传热模型，该理论是建立在能量 平衡基础上，区别于线源理论【1 9 】。 近期国外对地源热泵的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 采用火用和火无的分析土壤源热泵系统性能功能2 0 】【2 l 】； ( 2 ) 对变流量的土壤源热泵系统工况的研列2 2 】； ( 3 ) 土壤源热泵地埋管换热器的短期工况的研究【2 3 】； ( 4 ) 采用模糊神经推论方法研究土壤源热泵系统的运行效率2 4 】； ( 5 ) 管群计算方法的研究【2 5 ，2 6 】； 国际著名组织及从事热泵的研究者都认为，土壤源热泵是最有前途的节能装 置和系统，是国际空调和制冷行业前沿课题之一，也是浅层地能利用的重要形式。 1 3 2 国内发展及研究状况 我国对土壤源热泵的研究起步较晚，8 0 年代末，我国才开始对土壤源热泵 进行研究，而大规模的研究只是到近几年才开始。近年来，国内一些高校和研究 机构对土壤源热泵进行了专题研究，使土壤源热泵的研究迅速成为热门的课题， 主要内容如下： 1 9 9 8 年，湖南大学李元旦等人【2 7 乏明建立了水平埋管地源热泵实验装置；进 4 硕士论文 行了多层水平埋管的换热特性研究，垂直u 型地埋管的冬季启动工况的实验研 究，等等。 1 9 9 9 年以来，同济大学张旭、龙惟定等人【2 7 2 8 ，3 0 , 3 1 1 利用探针对土壤及不同比 例的砂土混合物，在不同含水率、密度下的热导率进行了试验研究，分析了影响 土壤传热能力的因素，等等。 1 9 9 9 年以来，重庆大学丁勇、胡呜明等人【3 2 。3 卅建立了垂直埋管换热器试验装 置上进行了单管、三管串联运行试验，浅埋竖管换热器地源热泵试验装置上做的 冬季供暖效果测试。 2 0 0 1 年以来，山东建筑大学方肇洪、刁乃仁等人【3 5 - 3 7 】建立起有限元解析解 模型分析地埋管换热器换热，并且深入讨论了渗流对地埋管换热的影响。 2 0 0 2 年以来，天津大学赵军、李新国等人 3 8 4 0 1 通过实验和数值模拟的方法 研究地埋管的换热性能。讨论了不同方式地埋管换热器的换热，分析了对流型地 层内换热器实验模型等等。 2 0 0 4 年以来，哈尔滨工业大学马最良、姚杨等人【4 1 4 2 1 对土壤蓄热与土壤耦 合热泵集成系统的进行研究以及研究了太阳能与土壤源热泵联合供热系统。 2 0 0 7 年，北京工业大学魏加项等人【4 3 】对地下换热系统热效果和周围土壤的 温度场进行实验研究。 2 0 0 7 年以来，还有很多学者【4 4 4 6 】采用数值模拟的方法研究地埋管换热器的 换热。 从上面国内对土壤源热泵的研究可以得出研究主要集中在地下换热器的传 热计算模型，地下换热器埋管方式，土壤的传热性能，单管与管群运行，地源热 泵冬夏季运行工况，地源热泵系统设计优化【4 7 , 4 8 1 等方面的研究和试验。 目前我国土壤源热泵系统更多的是处于研究阶段，但是土壤源热泵系统地埋 管传热影响因素众多，传热过程复杂，设计与实际运行结果往往相差很大。 总之，土壤源热泵技术在我国虽然起步较晚，但其自身的优势，随着热泵及 其各种驱动装置的研制和土壤源热泵系统的试验研究工作的深入开展，它将在我 国得到越来越广泛的应用，在今后节能工作中将发挥重大的作用。 1 4 问题的提出 由于地下土壤的初始温度、地层赋水情况及地下水的流动、钻孔的回填材料、 钻孔的深度和间距等等，都会影响地埋管换热情况。所以地埋管传热过程是三维 第一章绪论 非稳态流固耦合换热过程，难于用简单的公式描述和概括。工程设计用的半经验 公式方法，虽然容易被接受，但各热阻项做了大量的简化，模型过于简单，能够 考虑的因素有限。而以离散化数值计算为基础的传热模型，可以考虑接近实际情 况。但由于地埋管换热问题涉及的空间范围大、时间跨度长，直接求解工程问题 仍有困难。 目前我国采用垂直式地下埋管换热器也越来越广泛。所以研究土壤源热泵地 下埋管换热的换热情况，通过合理的简化，分析整个寿命周期的换热情况，使其 能够用于指导设计就显得非常重要。同时考虑到越来越多的学者采用数值模拟的 方法研究地埋管换热器，而整个建模过程既繁琐又耗时，因此很有必要通过编程 手段解决数值模拟前处理繁琐问题，弥补数值模拟前处理过程的不足，才能使学 者将更多的时间花费在研究土壤源热泵地埋管换热情况上。 1 5 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容： 建立垂直u 型地埋管换热器的三维非稳态的数值模型，并验证模型的准 确性。从垂直u 型地埋管换热的角度，分别分析了将地表从第一类边界条件简 化成绝热边界条件和将多层土壤简化成单层土壤的合理性。 考虑影响换热的主要因素( 土壤的导热系数，回填材料、管内流速以及地 下水的渗流等1 ，分析地埋管换热量，出口水温以及热作用半径的变化情况，为 土壤源热泵系统的设计提供参考的依据。 同时为了弥补数值模拟前处理及处理过程的不足，在f l u e n t 软件 ( g a m b i t 2 3 1 6 和f l u e n t 6 3 2 6 ) 基础上进行软件的二次开发，采用v b 编写垂直u 型管数值模拟的二次开发软件，为土壤源热泵的研究和设计提供辅助作用。 6 硕士论文 第二章土壤源热泵地埋管换热器的研究方法 2 1 土壤源热泵的地埋管换热器的类型 土壤源热泵地埋管换热器根据布管形式的不同，主要分为水平埋管与竖直埋 管两大类。 2 1 1 水平埋管换热器 水平埋管换热器主要有水平单管、水平双管、水平二层双管、水平二层四管、 水平二层六管等形式。由于多层埋管的下层管处于一个较稳定的温度场内，换热 效率好于单层，而且占地面积较少，因此采用多层埋管的较多。水平埋管方式的 优点是在软土地区造价较低，较经济，但换热器浅埋平管，接近地面，换热器性 能受地表温度的波动影响大，水平埋管土壤系统效率比竖直埋管土壤源热泵系统 要低，所需的埋管长度更长，增加埋管的占地面积。 2 1 2 垂直埋管换热器 竖直埋管换热器根据埋管形式的不同，又可以分成套管式和u 型管两种主 要的形式。按照垂直埋管深度不同分为浅埋( 埋深9 0 m ) 、中埋( 埋深3 1 8 0 m ) 和 深埋( 埋深 _ 8 0 r e ) 。 套管式换热器由于增大了管外壁与岩土的换热面积，其单位井深的换热量较 大，换热效率较u 型管高。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 型管高，套管端部与内管进、出水连接处易泄漏。它适于浅埋，用 于中埋和深埋时应慎重。而且，套管型的内、外管中流体换热存在热损失。 垂直u 型管换热器目前使用最为普遍，即在地层中垂直钻孔，钻孔深度一 般在5 0 , 2 0 0 m ，钻孔直径一般在7 0 2 0 0 m m 之间，u 型管径一般在5 0 m m 以下 ( 由于流量限制) 。垂直u 型管换热器的形式有单u 型管、双u 型管、小直径螺 旋盘管、大直径螺旋盘管等等。u 形埋管具有施工简单，承压高，管路接头少， 不易泄漏等优点，与水平式埋管相比，其换热效率更高，系统性能几乎不受地表 温度的影响，所需管材少，占地面积少，比较适合我国当前人多地少国情。本文 主要研究垂直u 型管换热器。 2 2 垂直u 型地埋管换热器传热模型概述 从研究方法角度来说，传热学可以分为分析传热学、实验传热学以及数值传 热学三大类【4 9 1 。分析传热学是应用数学求解的方法来获得传热学问题精确解的传 第二章土壤源热泵地埋管换热器的研究方法 热学分支。但由于地埋管结构复杂，影响因素众多，很难获得准确的分析解。实 验研究是传热学最基本的方法，目前国内外也作了很多研究，如土壤的导热性能、 地下埋管换热器的传热特性、不同地埋管形式对换热的影响、冬夏季工况的研究 等等 5 0 彤】。但实验研究也有实验周期长，实验费用高等缺点。数值传热学在近几 十年得到飞速的发展，它研究如何用数值计算方法来求解传热问题。数值传热学 的优点在于具有成本较低和模拟的模型较复杂，对于土壤源热泵地埋管的传热过 程【跏的模拟不需要做太多的简化。 而土壤源热泵地埋管换热器设计的准确，直接影响系统安全可靠和运行的稳 定。但目前国际上还没有普遍公认的模型和规范。经过几十年来国内外对土壤源 热泵系统地埋管的研究，地埋管换热器的传热模型很多。从空间的角度，传热模 型有一维模型、二维模型、三维模型；从研究方法上又可分为分析解研究方法、 数值计算方法以及实验研究方法。以下内容主要对国内外有关垂直地埋管传热模 型研究进展做简要的介绍。 2 2 1 无限长线热源模型 i n g e r s o l l 1 5 】利用开尔文的线热源理论，采用无限长线热源模型来描述钻孔周 围土壤的温度场，它的假定条件为介质在开始时温度是均匀的，管子作为线热源 必须是无限长，而且是常热流密度，因此热流密度才可以看作是一维径向热流。 i n g e r s o l l 无限长线热源模型比较合适于模拟较长时间地下温度的分布。i n g e r s o l l 方法只是对实际传热过程粗略近似，对管腿之间的热短路、运行时间对周围土壤 特性的影响等等都没有考虑，也没有进一步的修正，因此这个模型的应用受到一 定的限制嘲。 国际地源热泵组织协会( 1 g s h p a ) 和美国供热制冷和空调工程师协会 ( a s h r a e ) 共同推荐的美国俄克拉荷马州立大学( o k l a h o m as t a t eu n i v e r s i t y ) 提议 的工程设计方法【7 】。对于竖直埋管的地埋管换热器，设计所采用的方法也是无限 长线热源模型。该方法的要点先收集和确定一组设计所需的初始数据，包括当地 气象数据和岩土热物性等等。b o s e 提出了根据一年中最冷月和最热月确定地埋 管换热器长度的方法，然后可以使用温频法计算季节性能系数和系统能耗。这种 方法定义了单个垂直钻孔地埋管换热器的土壤热阻如下： b ( x ) ：掣( 2 - 1 ) 硕士论文 x 而5 而r b 其中i ( x ) 为指数积分函数，r b 为钻孔半径， 和热导率；f 为运行时间。 ( 2 - 2 ) 口和砧分别为土壤的平均热扩散率 对于多个竖直钻孔的地埋管换热器，该方法定义土壤的热阻为： r s - 去陋，鲁c ) p 3 ， 其中，( 如) 2 万赶是钻孔内区引起的热阻，( k ) 2 x 2 ，分别是与所考虑的 钻孔的距离为蛆的钻孔中的埋管对该钻孔的热干扰引起的热阻。 而钻孔内部，采用了一维简化模型，把u 型管简化为具有当量直径的单管。 单管的当量直径定义为乞= n ，其中咒为一个钻孔内u 型管的根数。 管壁传热热阻为： q = 面11 i l 志 ( 2 _ 4 ) 这里，以为管子外径，d ；为管子内径，以为当量管的外径，以为管子导热 系数。 该方法推荐供热工况时最低进水温度值比当地最低气温高16 2 2 。c ；推荐的 供冷工况的最高进水温度一般为3 7 。c 。根据选定的最高和最低进水温度以及选用 的热泵，可以确定热泵的制冷量和制热量以及制冷和制热的性能系数 c o p cc o p n 。 该方法给出的土壤源热泵地埋管换热器的钻孔总长度计算方程如下： 采腻岛= 掣( 寄) 阻5 ) 撇时：k = 当掣c 搿， p 6 ， 其中h 为采暖，c 为制冷，三为钻孔总长度，c a p 为热泵的在设计进水温 度下的额定出力( 制热或制冷量) ，c o p 热泵的性能系数，f 为运行份额，瓦为 地下未受干扰时的平均温度，k 和。分别为最高和最低进水温度。 2 2 2 无限长柱热源模型 d e e r m a n k a v a n a u g h 【1 6 5 5 1 的方法是采用无限长柱热源模型，在模型当中提 9 第二章土壤源热泵地埋管换热器的研究方法 出以f 几点假设： ( 1 ) 土壤中的传热只有导热； ( 2 ) 土壤与管子接触紧密； ( 3 ) 土壤是一个无限大固体； ( 4 ) 土壤物性是常物性的，且各向同性； ( 5 ) 土壤中没有地下水流动 ( 6 ) 没有来自隔壁钻孔的热干扰 所以，对于常热流柱热源的解析解可以表达为： 4 巧2 弓一瓦2 盖研z ，p ，) ( 2 - 7 ) 口 z = t r 2 ( 2 8 ) p = ( 2 9 ) 其中，为土壤的初始温度，r , o 为外管壁的温度，q g 。是热流密度，恕为土 壤的导热系数，是钻孔深度，z 是无量纲f o u r i e r 数，g 伍是一时间和距离的 柱热源函数。 无限长柱热源发展的另一个重要假设，按照b o s s 提出的建议，用单管的当 量直径去修正u 型管的双管。 d 。= 刀p 。 ( 2 1 0 ) 式中d o ：x 黾u 型管的直径，o e q 是当量直径，刀为u 型管的管数。 管内流体到管外壁的传热系数可以表示成： k 2 砸1 ( 2 - 1 1 ) 舵 哗：华 p r 2 万1 乇 红= m q 盖k 其中，哗是管子热阻，r 是流体与u 型管的换热热阻， 1 0 ( 2