兰州地区土壤源热泵垂直U型管温度场数值模拟研究

摘要

在我国，建筑的能耗已经占到所有能源总消费量的40％，其中有关暖通空调以及热水系统可以占建筑总能耗的30％～50％[1]。由于集中供热方式所引起的环境问题，我们急需用其他的供热方式代替集中供热，而热泵就是一种不仅能够减少大气的污染以及CO2的排放量而且能够有效的节约能源的新技术[2]。
　　本文重点研究了土壤源热泵技术，由于兰州地区人口密集，而且工业区位于上游，住宅、商业区位于下游，还有特有的地形情况等问题，使得整个城市污染严重，环境问题亟待解决。所以在兰州地区开展地源热泵的研究很有意义。本文通过了解土壤的传热特性，收集整理了兰州地区的气候特征、土壤特性等数据，计算了兰州地区土壤在不同时刻、不同深度的初始温度值，并确定了土壤的初始温度，这对后文的模拟计算很重要。
　　土壤源热泵的换热器设计的合理性直接影响到整个系统的换热性能，而其换热的性能又和地下土壤的温度场分布有关。为了详细的研究换热器的换热特性，本文对单U型换热器换热性能以及周围土壤温度场分布的数值模拟研究，主要做了以下工作:
　　(1)本文首先在传热的理论方面，通过详细分析和比较换热器的解析解以及数值解传热的两大模型，建立了单U型埋管周围的非稳态的温度场的二维简化模型。
　　(2)利用ANSYS有限元分析软件，对此U型管周围的非稳态的土壤温度场进行了数值模拟，得出了在不同时间段内土壤的温度场分布和温度场沿模型径向变化规律。并得出了钻井内埋管的热扰动半径为2m，即各钻井之间的合理间距可以确定为4m。这为兰州地区土壤源热泵垂直U型埋管的设计提供了一定的理论依据和基础数据。
　　(3)在假设土壤是各向同性并且均匀的多孔介质的前提下，建立了单U型管换热器及其周围土壤的三维模型。
　　(4)模拟了在不同的入口流速条件下，U型管中流体的压力以及U型管断面速度的分布规律，以验证本文的模型与实际的情况是否相符合。
　　(5)通过对不同的入口流速、不同导热系数回填材料以及不同的循环介质入口温度条件下的模拟分析，分别得出了钻井内和钻井外的温度场分布情况和土壤源热泵适用的入口流速范围为0.6m/s～2.0m/s。研究得出结论，随着回填材料导热系数的增大、入口流速的提高以及循环介质入口温度的升高，换热器的换热量将会增大。并且回填材料的导热系数影响的尤为明显。
　　通过以上模拟分析，能够为实际的工程的设计提供一些参考依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．1．1 热泵在建筑空调中的节能应用

1．1．2 在兰州地区开展地源热泵研究的意义

1．2 国内外土壤源热泵的发展现状

1．2．1 土壤源热泵在国外的发展现状

1．2．2 土壤源热泵在国内的发展现状

1．3 已有研究成果的局限性

1．4 本课题研究的内容与方法

1．5 小结

2 热泵的分类、土壤源热泵工作原理及埋管选型

2．1 热泵的分类

2．2 土壤源热泵工作原理及特点

2．2．1 土壤源热泵工作原理

2．2．2 土壤源热泵特点及优势

2．3 土壤源热泵系统地下埋管分类及形式的确定

2．3．1 水平式热交换器的结构

2．3．2 垂直式热交换器的结构

2．3．3 地埋管形式的确定

2．4 目前在热泵的研究方面存在的问题

2．5 小结

3 土壤源热泵埋管换热器周围土壤温度场研究现状

3．1 我国土壤资源调查

3．2 土壤的传热特性

3．3 土壤的热物性

3．4 兰州地区的土壤特性

3．4．1 兰州地区的气候特征

3．4．2 兰州地区的土壤特性

3．4．3 土壤的温度随深度的变化

3．5 兰州地区土壤的初始温度

3．6 小结

4 竖直地埋管换热器的传热分析

4．1 地埋管换热器的传热分析

4．2 地埋管换热器的传热理论模型

4．2．1 INGERSOLL模型—线热源理论

4．2．2 圆柱热源的理论

4．2．3 修正的圆柱热源理论

4．2．4 r-z坐标下的解析解

4．3 地热换热器的解析解模型

4．3．1 钻孔壁以外土壤区域部分的传热模型

4．3．2 钻井内部的传热模型

4．4 小结

5 垂直U型换热器周围非稳态温度场的数值模拟

5．1 地埋管U型换热器计算模型假定条件以及参数的设定

5．1．1 模拟计算的简化条件

5．1．2 模拟等效管径的确定

5．1．3 钻井内外导热微分方程的确定

5．1．4 确定模拟计算的边界条件

5．1．5 钻井内外各参数的确定

5．2 兰州地区土壤的温度场的模拟结果及分析

5．2．1 土壤源热泵钻井内的土壤温度分布

5．2．2 钻井外的土壤温度分布

5．2．3 热扰动半径的分析

5．3 小结

6 不同运行工况对地埋管换热器周围温度场分布及性能的影响

6．1 垂直U型管换热器的物理模型

6．2 垂直U型管换热器的数学模型

6．2．1 土壤和U型管壁以及回填材料传热的数学模型

6．2．2 U型管内流体的流动以及对流换热的模型

6．2．3 模拟计算的边界条件和初始条件

6．3 埋管中流体的压力分布和断面速度分布

6．4 U型管不同入口流速对换热量的影响

6．5 钻井内的不同回填材料对换热量的影响

6．6 不同进水温度对换热器换热量的影响

6．7 小结

结论和展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果