（热能工程专业论文）u型管桩埋换热器传热理论模拟与实验研究.pdf

中文摘要 本文对u 型管桩埋换热器进行了传热机理和实验研究。在分析三种传热模 型的基础上，通过引入u 型埋管管脚热影响因子，建立土壤层内u 型埋管换热 器的物理和数学模型；结合实际工程应用，通过编制计算机程序，重点研究了u 型管桩埋换热器的传热规律，计算结果揭示了u 型管桩埋换热器热输出与出口温 度的变化规律及换热器周围土壤的温度变化规律。此外，本文还探讨了土壤热湿 迁移过程，分析得到的部分结论能更合理地指导埋管换热器的设计。 本文建立了u 型管桩埋换热器的实验台，利用数据采集系统对实验数据进行 实时采集。实验分析了循环流量、进i ：l 温度对u 型管桩埋换热器换热性能的影响， 通过短期连续运行，得到了桩埋换热器的热输出变化以及周围土壤的温度分布， 实验还比较了单桩单管和单桩双管的换热情况以及不同回填物对埋管换热器热 输出的影响。实验结果与理论分析得到的结果一致，从而验证了传热模型的正确 性。 关键词：地源热泵u 型管桩埋换热器管脚热影响因子 热湿迁移 a b s t r a c t t i i sp a p e rp r e s e n t sat h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ft h eu p i p e p i l e h e a te x c h a n g e r o nt h eb a s i so ft h e a n a l y s i so ft h r e eg r o u n dh e a te x c h a n g e r m o d e l s ，p h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rt h eu p i p eh e a te x c h a n g e ri nt h es o i l h a v eb e e ne s t a b l i s h e d 、耐t hc o n s i d e r a t i o no ft h e r m a li n t e r f e r e n c eo f p i p el e g s b a s e d u p o nt h ea p p l i c a t i o n ，c o m p u t e rp r o g r a m sh a v eb e e nd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h eh e a t t r a n s f e ro ft h eu p i p ep i l eh e a te x c h a n g e r t h el a w sa b o u th e a to u t p u ta n de x i t i n g f l u i dt e m p e r a t u r eo ft h eh e a te x c h a n g e r , a n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fa m b i e n t s o i l ，h a v eb e e nr e v e a l e db yt h ec o m p u t e dr e s u l t s b e s i d e s ，h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r i nm o i s ts o i lh a v eb e e nd i s c u s s e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h a tt h eh e a te x c h a n g e rm o d e l c o n s i d e r i n g h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri sf i tf o rg u i d i n gt h ed e s i g no f u - p i p ep i l eh e a t e x c h a n g e r n l ei n s i t ut e s td e v i c eo ft h eu p i p ep i l eh e a te x c h a n g e ri sb u i l tu pi nt h i sp a p e r , t h ed a t aa l ec o l l e c t e dr e a lt i m eb yt h ec o l l e c t i n g d a t as y s t e m n ep e r f o r m a n c eo ft h e h e a te x c h a n g e ru n d e rd i f f e r e n tf l o wo re n t e r i n gf l u i dt e m p e r a t u r ei sa n a l y s e d u n d e r t h es h o r t t i m ec o n t i n u o u sr u n n i n g , h e a to u t p u to ft h e h e a t e x c h a n g e r a n dt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fa m b i e n ts o i la l eo b t a i n e d t h e r ea l ec o m p a r i s o no ft h e p e r f o r m a n c eb e t w e e ns i n g l ep i p e i no n ep i l ea n dd o u b l ep i p e si no n ep i l e ，a n d d i f f e r e n tg r o u t sa f f e c to r lh e a to u t p u to ft h eh e a te x c h a n g e r g o o da g r e e m e n ti s o b t a i n e db e t w e e nt h et h e o r e t i c a ls o l u t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h er e l i a b i l i t yo f t h em o d e li sv e r i f i e d k e y w o r d s ： g r o u n ds o n r c eh e a tp u m p u - p i p ep i l eh e a te x c h a n g e r t h e r m a li n t e r f e r e n c eo f p i p el e g s h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得吞洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：茗穿爰殳 签字日期：如；年月j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 垄宁到， 签字日期：加t ；年f 月9 日 导师签名勃辱 签字日期：撕2 年月f ) 日 第一章绪论 1 1 课题磷究鸷豢 第一鼗绪论 j 穗年来，淹着我黧现援纯建设步後鹃热俊，天民生活承乎靛提嵩，楼字、嚣 住建筑在城市婕筑中迅速兴建，供暖、空调作为人们追求舒适性的必备工具，已 经在我莺普逮往矮。然蕊，薅罄空谲滚各使臻的鑫益广泛，一= 薤霞撬入髓豹源 问题、环保问题也日盐突出。因此，增加可再嫩新能源利用比例以及减少环境污 豢残爻入识关注懿重嚣瀑薤。 1 1 i 地热能研究现状 早在远古时代，人们就开始利用地热能，其开发历史始于温泉的利用，如今 对遣热艟瓣嗣稻已经露了绥大约发震，方式毯多耱多棒，表1 - 1 中绘辩了麓熟麓 直接利用的发展状况吐 表1 - 1 世界地热能嶷接利用状况 琐蟊装钒容豢( m w )窿接弱孀( 玎陴) 颦份2 0 0 01 9 9 5 增长率( ) 2 0 0 01 9 9 5 增长率( ) 地源热裘6 ，8 9 41 ，8 5 4 2 7 1 。8 4 2 3 ，2 1 41 4 ，6 1 7 5 8 8 空间加热 4 ，9 5 4 2 ，5 7 99 2 15 9 6 9 63 8 0 3 05 6 1 漱室1 3 7 1l ，0 8 52 6 41 9 ，0 3 51 5 。7 4 2 2 1 1 养鱼池加热 5 2 5 1 ，0 9 7 5 2 1 l o ，7 5 71 3 ，4 9 3 。2 0 3 农产晶予漂 6 96 72 39 5 4 ，1 2 4 1 5 1 工业加热 4 9 45 4 4，9 2 1 0 ，5 3 6 l o , 1 2 0 4 1 浴室和游泳溅 1 9 6 1 ，0 8 5 i 0 2 3 5 ，8 9 21 5 ，7 4 2 1 2 8 0 融化积譬 1 0 81 l s缶19 8 6 1 ，1 2 4 - 1 2 2 其它 4 32 3 88 1 99 5 7 2 ，2 4 9 5 7 4 总量 1 6 ，2 0 9 8 6 6 48 7 1 1 6 2 ，0 0 91 1 4 , 4 4 l 4 1 6 土壤是个庞大的蓄热( 、伦) 体，其内部蕴减着巨大的地热能，传统意义上的 建热能可敬| 鹣为深层辘燕髓，筵戆耋豹来源主要是遣球雨蕴藏藩鸯敖射洼物袋热 蜕变镣原因所产生的飚大热能。严格地说，深屡地热能是不可再生的。在对地热 第章绪论 能的开发研究过程中，人们开始意识到一种缀藏在地表浅层的浅层地热能，地表 浅层是一个匿大的太阳能集热器，收集了4 7 的太阳能量，比人类每年剽用能量 的5 0 0 倍还多。斟此，浅层谶热能慰真萨意义的可褥生能源。 为此，一些发达斟家如荚国、中j b 欧国家l ：始关注浅层地热能，美国财予l ： 发浅朦地热熊的力度最大，几乎占据了地热能直接利用的一半。世界上许多嘲家 不同温度值的浅层地热能储爨帽当丰富，然丽过去这些低焓资源并没有得到充分 的剩翔。随着环保意识的增强以及地源热泵技术的发展，开发浅层地燕麓已癸在 必行。 1 1 2 地源热泵应用现状与前景 地源热象己被认为是有效利用浅层地热能的节能装置之一，它其实就是把传 统空调器的冷凝器或蒸发器羹接埋入地下，使其与土壤进行热交换，或是通过中 间介质( 通常是水) 作为冷热载体，并使中间介质在掰闭环路中通过土壤循环流 动，从而实现与土壤进行热交换的目的。其原理见图l 一1 。 璺1 - 1 嫩源热象系统示意躅 遮滚热象囊歪意义上筑舞、蹙应壤氇只毒二卡年兹历变。戈其是避卡年来，趣 源热泵系统在北美如羡国、加拿大以及中、j b 欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快 的发震。热美溪，到1 9 8 5 年淹虫全鼹共有l 蠢万台拣源热泵，露t 9 9 7 每鼓囊装 了4 5 万台，到目前为止共安装了4 0 万台，而且每年在以1 0 的速度稳步增长。 1 9 9 8 譬美辫褒竖建筑中建溅热泵系统已占空调总髹窍量的1 9 ，其中在薪逡建 筑中占3 0 。美国诉计划达到每年安装4 0 万台地源热泵的目标，届时将降低温 第一港绪论 室气体排放1 0 0 万吨，相当予减少5 0 万辆汽车的污染物排放或种植树木1 0 0 万 荚袁，年节终戆源费麓遮4 , 2 亿美元。 中国的地源热泵辫业近几年已开始起步，而且发展势头糟好，越来越多的用 户开始熬悉蟪源热象，并对英应臻产生了浓浮瓣兴趣。近见年来在j l 索、天浮、 重庆、山东、河南、湖南、辽宁、黑龙江及河北等地，已有1 0 0 多个地源热裂工 程在窳际应鼹，供熟1 空璃瑟软达1 0 0 余万乎方寒。然瑟这些工程咒乎罄是蟪下 水源热泵系统，其回灌问题、水质腐蚀问题以及带来的环境问题限制了这项技术 鲍接广。恧只取热不敬拳浆蠼管式邈源热泵系统虽然攘妇了秘投资，健龆缀好建 解决了以上问题，是最有希蛰在今后发挥积极作用的供热、制冷空调新技术。 与传统空调系统耀比，蟪源热泵系统在避杼费用( 主要包旗耗赞舞和维护 费用) 方面有较大优势。如在商业应用中，使用地源热泵的年均能耗折算成美元 为1 0 4 4 5 t m 2 ，丽传统空调的掇应值必1 2 。5 9 5 m 2 ，节自达到1 7 。她滚热泵之艇 以能够如此鼗著地降低能耗，是由于地源热浆的熟源( 土壤) 较传统窝调系统的 热源( 空气) 具有明摄优势：士壤深度5 l o m 以下濑度稳定且约等予当地全年 平均涤度f 2 j ，可敬为热泵分掰在夏、露两季摄供相对较低的冷凝温度翔较高的蒸 发温度；埋姆换热器不需要除霾，减少了冬季除霜的自耗。在维护费用方面，琏 源热祭的优势也较弱箍。表l 口中将魏源热秉与传统空气源熟泵系统的维护费用 进行了比较1 3 1 。可以褥出，即使是地源热泵最不具优游的运鬻方式( 幽外部承包 商负责维护) ，也毙传统的最具优势的分髂式空气滚热泵的年均绫护费糟低 2 2 8 。若将地源热聚在能耗方面节约费用1 7 计算在内，则地源热浆平均百r 比 传统空谲系统降低运行费霸邋4 0 。 表1 - 2 遗源热泵与传统空气潦热泵系统年均维护费用浇较 荦位：1 0 2 5 辩 但也有一些因綮制约着土电源热泵在国内的发展应用。首先，地源热泵系统作 为一矮绍台主壤环襞学、钴搽、销冷、疆透窆诱等多学辩舞识翡技寒，影稳游索 是多方面的，要求各学科之间相互合作、沟通，共同把这项技术规拭化。其次， 第一掌绪论 初投资费用城高，主疆体现在钻井费用上，这主要取决于土壤地质情况。地源热 象静翘投资不饺包括传绕空调系统袋嚣懿遗鬣上警爨农设冬瓣投资，还邃瑟璞管 投资、埋管敷设投资以及购炎敷设埋管所需土地的使用权或所有权的投资。初投 资成为影晚逡滚热泵在发震中国家揍广的重黉因素之一州。雯外还蠢些裁缝因 素，如缺乏足够的实际工程虑用经验等。 睫羞科学技术水平数不凝提裹，对建滚热泵斡一些割约因素将会被逐步克 服。戏国地域辽阔，各地的气候条件和土壤祭件虽然各不相嗣，但大部分地区夏 热冬冷，邦慰适合予地源热裂发挥重要作用的地方。业匕外，根据地源热泵系统款 特点，还可考虑在其它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，剥用地源热裂系 统可以降低逡行成本，很好媳发挥其优点；在养殖行业，需鞭提供合适的水湓， 也可以充分浆用地源热泵系绞。 由于在众世界蔼围内要比以往簧加关注能源、环境与可持续发展之间的关 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黧的大气污染。因此， 要安现经济的可持续发展，必须尽可能多地稍用清滔的可再缎能源，硒时翔大节 能的力度，而冬季供暖、夏攀制冷的地源热象系统魁一个很好的选择。 1 2国内外埋管换热器研究现状 正如图1 - l 所示，地源热泵系统由三部分组成：地下埋镑系统、水源热浆帆 缎和建筑负荷终端。后两部分的应用已基本成熟，其相应产龋也已髋范化，1 衙地 下蠼管系统鼹前尚处于研究阶段，埋管换热器的研究一直怒地源热泵技术的难 点。现有的她源热象设计方法大都基予遗下蠼管换热器的实验研究。 溷1 - 2 理管蔽热器夔生器形式 埋管换热器形式一般有三种，即垂直埋管、水平埋管和螺旋盘篱，如图1 2 所示。东乎疆管逶常浅层建设，开擦技术要求不离，往往秘投资低予垂壹毽管， 但另一方面，由于水平埋管换热能力往往低于竖埋管，而且铺设占地面积大，开 第一章绪论 挖工程量大，有时也未必经济。根据埋设方式不同，垂直埋管通常有u 型篱和 套簿两耱，酒蠹努愁源燕泵工程常掰u 鍪 缓管换燕器，焉套餐式瀵管换熟嚣虽 然换热能力优于u 型管换热器，但由于初投资大，工程应用较少，仅应用于浅 层筑设方式。 1 2 。1 埋镣换热辫应用概况 国外对埋管换热器的研究始于1 9 4 6 年，美国进行了1 2 个地下盘管研究项目。 这鎏磅究顼嚣系统麓溺试了途下盘警鹣参数，包括：淫管尺寸、管鬻距及埋深等 的影响。 2 0 毽纪5 0 年代褐，在荚国蘸鸯了霜予霞宅侯浚的遮滚热泵璞警系统。1 9 7 4 年，欧洲开始了3 0 个工程歼发研究项目，发展地源热泵系统的设计方法和寂装 技术：沣积累运孬经骚。蘧典安装了6 0 0 0 令窳平：逛下缝营系绕，德霹邀存大瀑戆 此类工程出现，所有的地源热泵系统都只用于供暖，且主要安装水平埋管。 1 9 7 1 零臻1 9 7 8 年，美黧送行7 多秘形姣鳇埋管换热器测试，势萼l 进太翔驻 集热器组成混合地源热泵系统。这个时期采用塑料域管代替了原来的金属蠼管。 上擞纪9 0 年我以寒荚国的王程承包巍建立了大量黪缝源热浆系统。 美国和欧洲安装的很多地源热聚系统题参照条件类似的已建工程设计安装 酶，贯一些工程雯是采用复杂豹方法计算嚣设计蠢成。地下馔警换热器的设计计 算模型，据不完全绕计约有3 0 种。这些模型有稳态的、非稳态的。其中应用比 较广泛的传热模型；簿三秘：线热源模型、匮技热源模鍪l 和e s k i l s o n 模型，在脏文 中将要详述。模型求解通常采用集总参数法、一维、二维、三维有限差分法和二 维肖限元法簿方法。 由于璁源熟泵蠼管换热器影响因素多、设计难度大、基础数据不足，某蹙参 数的选择不当会造成工程造价高得难以接受，限制了这项技术的发展，所以囊到 上僦纪8 0 年代后期才在商渡、民丽建筑静象调设计中采用。困既，地源热浆系 统的设计细节，与传统建筑系统的嘎配，对地源热泵王程实例的调研和经验总结 是潮际上遗源熟泵磷究的一个重要方面驿l 。 国内对埋管换热器的研究始于上世纪8 0 年代，其技术推广是先实践，后理 论。研究工作可戳分为两个除段，第一除段的磺究工作起始予上整纪8 0 年代初， 天津大学【6 】【刀和天津商学酣8 】唧率先在地热供暖方面开展了一系列理论和试验工 乍，华中毽工大学【0 1 8 0 年代末遣努始了建源热泵供疆方露游研究，丽天津商学 院最早开展了地源热泵在夏攀空调方面的研究i l ”。这一阶段的特点魑：( 1 ) 地源 热焱豹磷究是蔽稳灏邈热避幸亍供疆开始；( 2 壹予实验装饕静蔽铡，这一除段弱 试验为模拟试验，蠼管换热器未与地面热泵设备联合运行，试验时问最长为1 8 第一章绪论 天，短则几个小时：( 3 ) 尚沫应用到空调工程中去。 第二除蔽靛研究扶1 9 9 8 年开始，国嚏魏家大学建立了缝源熟裂试验台，琵 大多数可以进行埋管换热器与地面热泵设备的长期联合运行。其中1 9 9 8 年重庆 建= 攀巯驴”6 j 建设了包戆浅淫受鸷羧熬器黟承乎溪篱换热褥在海懿实验装甏； 1 9 9 8 年青岛建工学院1 1 7 l 【1 8 1 建成了聚乙烯垂戡地源热浆装置：湖南大学1 9 9 8 年 建设了零平埂警葵塾嚣热泵实验装置；1 9 9 9 年溺济大学1 2 。l 建设了垂妻逡源热袋装 置，2 0 0 1 年山东建工学院【2 1 1 2 2 1 建设了竖直u 型埋管地源热絮空调系统，这烘实 验装霆为孛凝深入秀震建源热泵瓣黟 究提供了援荛蠢效验王舆。这令黔段憨姆点 是：( 1 ) 进行了埋管换热嚣的实验研究，在鼠外研究的基础上有所创新，这必研 究愈捃：埋篱换热嚣抉热诗冀模撼磺变，水平埋管换热器夏攀瓣态工援数值模 彗f 研究，埋管换热器的筛选及禽理管间距的分析，土壤冻结对蠼管换热器传热的影 响磅究，埋蛰换热器阕歇运移工况分据等；( 2 ) 完成了大量蟪源热泵的试验；( 3 ) 开始了地源热泵系统的工程应用。 1 2 2 理繁换热器传热疆论磷究现状 麸上毽纪7 0 年代寒瑟媲，睫饕瓣遗滚热泵豹磺究逐激疆跃，欧荚等国敬实 验爨和研究机构对墁地换热器的地下换热过程开始了较大规模的研究，建立起了 靼应豹数学模型劳送行数壤仿囊，磺究成果反映在j eb o s e 程j dp a r k e r 2 3 1e d m e t z1 2 4 1 及v cm e i l 2 5 】等人的论文和研究报告中。 2 0 世纪9 0 年代以来，黧乡 对堙繁换热嚣瓣研究热点铱然集中在揍热器瓣换 热机理、强化换热敷热泵系统与换热器匹配和安装稚置技术等方面。与前一阶段 研究简单的传热模型不同，研究者瑟多地关淀相互藕合鲍传热、传鹱，以便鼹好 地模拟埋管换热器的真实换热状况，指导实际应用；同时开始研究采用热物性更 好的固填奉孝料，以强化埋管在壤中的传热过程，从两降低系统用于安装蠼管魄 初投资；为避一步优化系统，开始研究有关螺管换热器与燕浆装置的最佳匹配参 数。国际最新研究动态表明，有关蠼管换热器的传热强化、地源热泵系统仿囊及 最德匹配参数的研究都是土壤源热浆发展的核，t l , 技术课题，识是涉及多个基础学 科领域且极具挑战憾的研究工作【2 6 j 。 国内对堙管换热器传熟理论方掰的研究明显滞麓子实验研究，燕要成栗有： 原螫庆建筑大学刘燕英【2 7 1 等人结合船量守憾定律，猥用v c m e i 三维瞬态远边 界传热模型为理论蒸础，建立了避下埋管换热器静佼热模鹫，对运行期翻遘渡期 进行模拟，其计算结果与实测值均较吻合；青岛建工学院李艽【17 】等人建立了u 墅撩埋管髑溺土壤滋痊场鹣二维菲稳态传热模鹫，计算结采与实溺馕吻合较好， 并计算得到了u 型埋管换热器的热作用半径；同济大学张旭1 2 0 j 等人建立了一维 第一章绪论 非稳态传热模型；山东建工学院曾和义【2 8 】等人对埋管换热器传热模型进行了深 入的研究，提出了u 型埋管换热器中介质轴向温度的数学模型。 归纳国内外对埋管换热器的传热理论研究有如下几个特点：( 1 ) 研究方法以 现场测试为主，理论分析为辅；( 2 ) 换热器传热模型过于简化，u 型埋管换热器 常常简化为一个当量的单管；( 3 ) 忽略土壤深度方向温度的影响，土壤传热过程 往往被视为纯导热过程，没有考虑土壤的热湿迁移过程。 本课题以天津市梅江生态区一办公楼地源热泵工程为研究背景，结合国内外 研究现状，选择u 型管桩埋换热器进行研究。在国外，这种形式的换热器应用 广泛，美国、奥地利等国家均有了大量的应用。而国内关于桩埋换热器的报道并 不多见【2 9 1 。u 型管桩埋换热器与传统的u 型埋管换热器相比，由于其埋设在桩 基中，避免回填费用，并且节约占地空间。 因此，本课题结合工程应用背景，重点对u 型管桩埋换热器传热过程进行 研究，并进一步探讨u 型管桩埋换热器周围土壤的热湿迁移过程，从而对换热 器传热传质机理有更深入的了解，用以指导埋管换热器的设计和优化。 1 3 课题研究内容与方法 1 3 1 课题组的前期研究 结合国内外研究背景，课题组前期的研究成果【3 0 】【3 1 】主要体现在以下方面： 实验方面，建立了对流型多孔介质内套管换热器的实验模拟装置，采用饱和 状态下的微珠玻璃球来模拟对流型多孔介质层，实验模拟了不同初始温度多孔介 质在不同的循环水入口流量、入口温度以及循环方式下，多孔介质层内的温度分 布，模拟测试了不同的多孔介质初始温度、换热器入口水温、入口流量及循环方 式等对套管换热器热输出的影响规律。 理论方面，分别建立了导热型和对流型地层内竖埋套管换热器传热模型，采 用适当的数学方法对两种类型地层内的竖埋套管换热器的传热过程进行了计算 模拟，计算结果揭示了两种地层内埋管换热器热量输出的变化规律及其周围岩土 层的温度分布特性。 但前期实验模拟也存在一些不足，实验采用了刚性玻璃球堆来模拟地下砾石 等刚性介质，尚可得到一些类似的基本规律，但若用其来模拟土壤柔性多孔介质， 由于两者在内部传质机理上可能差别较大，得到的规律也可能不尽类似。 第一章绪论 1 3 。2 研究内容 本课题利用前期理论研究的成果，在对u 型管桩埋换热器进行短期实验研 究敕基础上，着重磷究壤层内u 裂管桩蠼换热器豹传热援律。 具体研究内容裔： 1 ) 篱零阐述三嵇传热横型的特点，并遴章亍比较，指出竞善传热模型的瓣路； 2 ) 引入埋管管脚热影响园子，分剐对土壤层肉u 型趣管换热器的稳态和 稳态传热过程进行研究； 3 ) 结合工程成用实例，模拟计算u 激管桩蜓换热器的传熟规律，重点讨 论不同参数下u 型管桩埋抉热器的传热性能，以及器参数对换热器传热性能的 影响，得到u 型管桩埋换热器周围土壤的潺度变俄规律及换热器熟输出与出口 温度的变化搜律； 4 ) 避步探讨u 型管桩埋抉热器周阑壤熟湿迁移遐程； 5 ) 实验研究方面包括：对u 裂管桩埋换热器进行短期实验研究，研究u 型警桩淫按热器热输出和蹬疆温瘦交往撬德，浚及按热器短窳连续邋行对弱国土 壤温度的影响，实验验证一魑主要参数如埋管内水流量、进口水温、回填材料对 堙甓换熬嚣换热毪缝静影确。 1 3 。3 研究方法 本文采用理论计算和实验验证搁结合的研究方法。 理论研究：板撮能量守恒，引入管脚热影晌因子，建或壤肉u 型管桩埋 换热器的传热模型，并结合实际应用情况，通过简化边界条件和给定参数，对u 型篱桩埋羧热器进行模叛计算； 实验验证：结合实际工程应用背景，选择u 型镣桩埋换热器作为研究对象， 并究分稽韵先进的采集、测试手段，进行取、藏热模撅实验辑究。实验研究豹其 体内容主要是两个方面：1 ) u 型管桩埋换热器的实验研究，分析各参数的影响： 2 ) 换热嚣蠲圈土壤温度交纯凌律。 第二章壤层内u 型埋管抉热器传热理论研究 第二章主壤屡内u 型埋管换热器传热理论研究 逡源热泵疆究梭心课题之一楚簧释决壤管换燕嚣与壤戆挨热隆蘸。考虑到 目前地源热泵埋管系统常采用u 型埋管换热器，本文重点对土壤层内u 型埋管 换热器及其周围土壤的传热机理进行研究。 2 1埋管换热器传热模型概述 本节讨论的三种传热模型目前都广泛应用于埋箭换热器系统的设计中，通过 魄鞍三秘模型各自的特点，提出完善转燕模型的一些方法。 2 1 。1 线热源模逖 1 9 4 8 年i n g e r s o l l f 3 2 1 等人发展了k e l v i n 线热源理论，并将其应用到无限大介 质( 土壤) 中。西前大多数地源热浆设计蔻稍用该理论律基础。该理论作了如下 假设：土壤初始温度均匀；线热源热流恒定；土壤中传热方式为沿径向的纯昏热， 怒酶主壤热淹传递：土壤与钻孔接融亟鳋；壤为各润秘往，热勃性参数为常数。 土壤中各处的溉度分布计算如下： z 一磊= 轰r 等够= 蠢，口) ( 2 - t ) 舯_ 2 赤 t 为该点土壤温度，；t o 为土壤初始温度，；9 1 为线热源的热流，w i r e ； ，为该点离线热源的距离，m ：叁为土壤的导热系数，w l ( m ) ；口；为土壤鲍 导漱系数，m 2 s ；苫为运行时间，s ；声为积分变量。 对于z 0 2 ，瞄) 可以用以- i v 公式近似计算： ，1 、v 2v 4 j ) = l n i 专i + 等一每一0 2 8 8 6 ( 2 埘 、 ” 线热源模型的个重要假设是线热源( 埋管) 必须是光限长，因此可咀认为 热流方向垂蛊于埋镑的轴线，即为径自热瀛。在许多应用中，热流部是随时间、 建筑负荷变化的。溺此，i n g e r s o l l 建议考虑每个翁定时间段的平均热流对方程 ( 2 ，1 ) 中的积分项进行分蝣，再对器个时间段的积分进行爨加。 方程虽然仅限予求解线热源模穗，然而它也可以近似应用于埋管抉热器( 管 径，j 、于5 0 m m ) 传热模型，引入的误差可以用无量纲数f 。b 矗，r e j 来判断，如 第二窜士壤层痨u 垄趣管魏热器棒燕理沦研究 果f o 2 0 ，则误差可以忽略不计。 线热源模型由于其假设的局限性，只能近似模拟土壤实际传热过程。对于系 统设计港感兴趣的问题，如墁管换热器管长设计、钻孔内管脚闻的热冲突、长期 鞠矮麓运行系统对嚣萤主壤始构麓影稳、挟煞潞进密盈潼瘦弱影旗等，采滔线热 源模鍪难于解决。 其后，在线热源模型的基础上，又发展了一些传热模型：h a r t c o u v i l l i o n 3 3 】 模型、i g s h p a 【23 】模型等。 2 1 2 圆柱热源模型 1 9 8 5 年，k a v a n a u g h l 3 4 1 通过使用圆柱热源模型得到了理管换热器周围土壤的 温度分布。除了钻孔内的横型外，模型的其它假设与线热源模型相同。可以说， 线热源模型是圆柱热源模烈的一种简化形式。程圆柱模型中，钻孔内存在一个半 径有戳的埋管。u 型埕管簸径d 可以用当量巅径屯来近似代罄，其计算式为： 屯z 4 2 d 。 对于常热流的匿桂熟源模型可以表述如下： t 一瓦= 导g g ，p )( 2 3 ) 式中，z = 等， 一二；名为埋管乡经，mp m 。 z 2 ，一一；名刀理冒罗 ，倥， r 厶 g o ，p ) 仅为f 和r 的瞒数，其计算式表述如下： g ( = ，p ) = x l _ f e - b q - 1 1 。c 。p ) r , c s ) 一 战伽) 】方妒( 2 _ 4 ) k a v a n a u g h 透过对堙管换热器熬传热分章厅，得出疆下诗算式： r l = r 0 + i 著g ) j + 面 瞄s ， 非k = l 音+ 毒h 制； 曩为埋管换煞嚣逡流体的平均遗度，；m 为钻孔疼毽管管脚的数量；c 为 菲均匀热流浆修正系数( m - 2m i c r o ，8 5 ，m 时e - o 6 如7 ) ；k 为以管井 径为凝准的总体导热系数，w ( m ) 。 从理论研究的角度者，无限大区域中的圆柱热源传热模型更接近实际，也具 行研究的价值。它解决了线热源所不能解决的阅题，即埋管内流体平均温度以及 第二章土壤层内u 型埋管换热器传热理论研究 进出口温度，进而可以规划整个系统的设计。它和线热源一样，也存在假设上的 局限性。此外对于钻孔内u 型埋管换热器的处理过于简单，必然会带来一些误 差。 2 1 3e s k i l s o n 模型 e s k i l s o n 3 5 j 模型的建立基于有限线热源的数值解。由于有限线热源模型没有 简单的分析解，因此只能采用数值解法。 埋管换热器周围土壤传热模型可用如下方程表述： 上罂：婆+ 土里+ 罂 ( 2 6 ) n s 甜。 。r r 酗a z 式中，z 为埋管换热器的轴向。 这个模型由于考虑了钻孔深度的影响，与上述两种模型相比提供了更加精确 的结果。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。 模型可以计算钻孔间的热影响，还可以计算不同的建筑负荷。模型也存在一些缺 陷：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 1 l r ) 需要考虑流体、埋管以及钻孔 的非稳态效应，因此不适合于e s k i l s o n 模型。 以上仅列举了三种典型的传热模型，还有一些传热模型如v c m e i 模型、 h e l l s t r o m 模型、m u r a y a 模型以及s h o n d e r & b e c k 模型等在文献【3 6 1 中都有所阐述， 2 i 4 三种传热模型分析比较 下面主要阐述上述三种传热模型的优、缺点。一种较为理想的传热模型应该 至少考虑表2 1 中的所有方面，可以预测系统运行和停止的影响，同时也能够分 析，在短时间步长的情况下，改变流体、埋管和回填物的属性对埋管换热器性能 的影响。 从表2 1 中可以看出，相对于线热源模型和圆柱热源模型，e s k i l s o n 模型由 于考虑了更多的因素，因此更能够反映埋管换热器的真实情况。 第二章土壤层内u 型埋管换热器传热理论研究 表2 - 1 三种传热模型比较 线热源模型圆柱热源模型e s k i i s o n 模型 分析方法线热源理论圆柱热源理论数值解方法 是否考虑钻孔深度影响 否否是 钻孔内埋管简化为钻孔内埋管简化为钻孔内埋管简化为 钻孔模型简化 当量热阻当量的单管当量热阻 是否考虑钻孔间的热影响可能可以是是 是否考虑回填物的影响 否是是 文献口伽分别给出了线热源模型与圆柱热源模型比较，通过比较可以发现 昂数( = 口，f r 2 ) 较大时，线热源模型与圆柱热源模型解吻合得很好：而 1 0 0 0 0 ) ( 2 - 1 1 ) 图2 - 3u 型埋管内流体温度沿程分布 图2 4u 型埋管抉热器断面图 令：最= l t ，岛= 疋一，矗= w , b = 江，+ 罡f ) 矽 剃方程( 2 9 ) 被表示隽： f d o l 援= 日吼一b o , 一e 陀一1 2 ) 【d 0 2 捌= b 0 2 - a o t 一 上述方程可用d a l a m b e r t 。s 方法求解，方糨( 2 1 2 ) 中两式各乘上因子p 与q ， 整理褥剽： d ( p o , + q 8 2 ) d x = 一0 痨+ q a ) 0 1 + 帮+ 孽6 波一+ 譬渗4 罄一1 3 ) 所乘因子p ，g 满足以下关系： 一( p b + q a ) p = 0 a + q b ) q = v 2 ( 2 1 4 ) 吣b 足耐 门川 一争 ，义 一一五 一一十 以一九 + 略一办 ，飞立 + 或磷生珥 + 生4上 一蟊一磊一哎互l 查疵 一融 一或一乃薯 塑三童- 主堡星堕旦型堡篁垫垫墨堡垫望堡竺塞 则式( 2 1 3 ) 可写成： d ( p a , + q 0 2 ) d x = v 2 ( p o l - t - q 0 2 ) 一d + g ) e + 令：z ，= p ，0 i + q f l 2 则式( 2 1 5 ) 可被整理成方程： d z ，a x = 1 ，2 乙一0 ，+ g ，归 方程( 2 1 6 ) 的结果为： z ，：g e x p x ) + 0 。+ 吼净v ； 从式( 2 - 1 4 ) 可知v ，是下列方程的代数根： m 4 = 6 2 一口2 从式( 2 1 8 ) 得到根为： ( i = 1 2 ) ( i = 1 2 ) ( j = 1 2 ) v ；2 + l k w 驴j f 丐面 “。1 ，2 ) 从式( 2 1 4 ) 还可以得到： o 旭) ：一6 ) 口 o 。p 。) ：一k + 6 批 ( i = 1 2 ) ( i = 1 2 ) 引入两个常数：c ：，c ：，对式( 2 1 7 ) 经过整理可得到： f o i = 钳，2 x ) 一& e x p 矗x ) 一e 。0 + 6 ) 1 0 ：= c ：( p 。q ) e x p ( v ：工) 一c ：( p ：q 2 ) e x p ( v ；x ) + e + o + 6 ) 由边界条件： 0 ，= 0 ) = 0 i 0 1 = 1 ) = 0 2 = 1 ) 则常数c ：与c ：可以被确定为： 。5 9 f + e ( 。+ 6 ) x l + p ：g ：) e x p ) 一2 e 鱼+ ! ! 凸2 百磊面积硒百瓦丙丽一 c i = o l + c ：+ e ( a + b ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) f 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) f 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) f 2 2 1 ) f 2 2 2 ) r 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) 第二章土壤层内u 型埋管换热器传热理论研究 由此得到u 型埋管换热器内温度分布： j 五2 只+ 瓦“誓 ( 2 _ 2 7 ) 【瓦= 0 2 + 瓦+ e + x 、 由上可计算得到：0 2 ( x = 0 ) = 0 ：及u 型管换热器的热量输出q q = 矿阮。一砭。) = ( 9 f 一或) ( 2 2 8 ) 由上述关系式，本文编程计算得n t 以下一系列图，见图2 - 5 2 8 。这些图 可用于描述给定条件下u 型埋管换热器稳态传热的性能。 ： ： 2 “ 躲 毪 1 95 ： 图2 5 埋管内过余温度日沿程分布情况 主 口 丑 辞 壤 热窖量w ( w o 图2 - 6 进出口温差( 0 ：一z ) 、热输出q n w 、k 的关系 第二章土壤层内u 型埋管换热器传热理论研究 主 。 习 舞 藏 图2 - 7 参数k f 、k 对进出口温差( 0 ：一噬) 的影响 图2 - 8 参数e 、k ，、矿对热输出q 的影响 2 3 1 2 土壤稳态传热过程 1 ) 稳态导热微分方程 研究u 型埋管换热器周围土壤的传热过程时，忽略了u 型埋管换热器管脚 的影响，视周围土壤温度分布为轴对称问题。因此，导热微分方程为： 孙r 割+ 昙卜吾) = 。 式中，t 为土壤温度，：r 为对称温度场的分布半径， 方向坐标，m l 九为土壤的导热系数，w ( m ) 。 假设土壤物性恒定，方程( 2 2 9 ) 最后变为： 豢+ 去等+ 豢：o a r z ra ra x z m ：x 为土壤深度 r 2 3 0 ) 第二章壤层内u 型埋管抉热器转热理论研究 式中，x = 彩三0 ：r = ，五。 2 ) 边界条件的确定 r = d g 2 l 。，0 x 蔓1 ，t 。= 瓦( x ) 瓦讧) 即钻孔壁酌温度分布可由下式确定： ( 2 - 3 1 ) 瓦= 冬瓦+ 弘苦弦 2 ， 式中，f ，= 七，0 一妒2 。l o ： = 瓦1 百d o 十巧d ot n 鲁+ 讣( 甜翁吨鑫) k 沟戳u 型淫管终表瑟弑为基准弱国锚孔壁瓣至管内瀛体之间酌辣的熟传 递羝数，w ( m 2 1 。 r = 如经，0 墨并1 ，t ；= 瓦( x ) x 一0 ，d g 2 l o r ，岛，瓦= 嚣 川，毛 霆r o g ，五鲁= 3 ) 传热数学模型 岔一3 3 ) 陀- 3 4 ) 0 3 5 ) 祭+ 去熹+ 豢：o o 蔓疋筑d , 2 l o 囊 8 襄zra 靛a 蔗i 二 t = 瓦b ) r = d g 2 l 。，0 - x l 霉= t r = 岛，0 x s l( 2 - 3 6 ) t = 瓦x = 0 ，d g 2 r 墨詈= 0 x = l ，d g 2 岛 r 2 h r ) ，则前三个阶段的传热过程可以视为一种“准稳态”的过程，其 求解方法与稳态求解相同。而把换热器内影响传热的时间因素划规到换热器外侧 土壤层的导热中，后者属于圆柱坐标系中非稳态导热问题，如果把换热器分成足 够长的若干段，不计及每段长度方向的热传递，则可以看成径向一维非稳态导热， 可用解析法或数值法求解。 2 3 2 1 钻孑l 内准稳态传热模型 换热器某一段d x 的径向热损失，可用以下的传热方程表示： 固= k ，+ 正一2 瓦膨 ( 2 - 3 7 ) 式中，鲫为d r 段内的热量输出，w 。 钻孔内准稳态传热的假设并不意味着换热器内各处温度不随时间变化，由于 土壤层非稳态导热得出的随时间变化的温度瓦，再反馈到钻孔内准稳态传热公式 的温差( 正+ 正一2 瓦) 中去，能够间接地反映换热器内传热的非稳态性质。 2 3 2 2 土壤层内非稳态传热模型 土壤层内非稳态导热方程为： 塑+ 三里+ 盟：土里 西2 。，却。苏2 口，a f 方程求解难度较大，本文考虑沿x 方向对土壤层进行分层， 传热的同一层出，土壤层内非稳态导热方程如下： 盟+ ! 里：上里 甜2r 丹 a ，a f 初始条件正= l = 瓦+ 及 ( f = 0 ，k 0 ) 引入无因次量p = ，o 和f 。= q r 2 得到土壤温度分布： 咖牡l + 罢掣 f 2 3 8 ) 因此在与换热器 f 2 3 9 ) ，再用拉氏变换h 1 】对方程进行求解 ( 2 4 0 ) 第二章土壤层内u 型埋管换热器传热理论研究 式中，g ，昂) 为积分解，其表达式为： g 0 ，易) = 了1 j o 坳( 2 - 4 1 ) 舯m = 学业糯铲； 式中，k ( 矽) 为第一类零阶贝塞尔函数；i ) 为第类一阶贝塞尔函数： 山( 印) 为第一类零阶改型贝塞尔函数：j l ) 为第一类一阶改型贝塞尔函数。 2 3 2 3 非稳态传热模型的求锶 研究u 型埋管换热器的非稳态传热过程时，以前的研究成果大部分采用的 是一维模型，也有一些文献采用了二维柱坐标模型，但是在对于边界条件的处理 上由于没有考虑埋深方向土壤温度变化，都存在一些近似，采用了定热流边界条 件。本文考虑到u 型埋管换热器热量输出在x 方向的变化，对土壤进行分层， 采用各层热流恒定的方法来对模型进行简化，即d x 层内热流恒定。 通过式( 2 3 7 ) 可知，如果求出钻孔壁的温度z ，便可以对钻孔内u 型埋 管换热器的传热特性进行计算，在给定换热器进口温度z 情况下，可以求出出1 3 温度巧和热输出q 。 由式( 2 4 0 ) 得到： 瓦：t ( 1 ，昂) ：t ，+ 6 q - g o - , t o ) ( 2 - 4 2 ) “ 通过上式可以看出，求解钻孔壁温度瓦存在两个难点：