竖直双U型地埋管换热器在渗流作用下的传热性能研究

摘要

在中国的华东地区，夏季的供冷能耗是建筑能耗的重要组成部分并且在建筑总能耗中占有很大的比例，如何在建筑供冷方面做到更节能和环保已经成为了炙手可热的话题。与传统中央空调供冷相比，地源热泵系统具有高效、节能、环保、稳定的优点且地下埋管与土壤间的换热是影响地源热泵系统的关键环节，因此研究不同因素对地源热泵双U型埋管与土壤间的换热性能对减少建筑能耗保护环境有着十分重要的作用。针对上述情况，本文主要利用FLUENT模拟软件研究在华东地区地下土壤有无地下水渗流、渗流速度变化、埋管流体进口流速变化对双U型地埋管土壤温度场和换热量的影响。
　　本文建立了准三维双U型埋管与土壤耦合蓄热的数学模型，认为地下水渗流仅沿一个方向以固定速度流动，进行模拟研究的主要内容如下:1）利用CATIA和ICEMCFD软件建立地埋管钻井的三维数学模型和地下土壤的多孔介质模型。2）利用FLUENT软件对模型网格进行划分和设置相应的边界条件。3）模拟在无地下水渗流和有地下水渗流且渗流速度为7×10-7m/s、1×10-6m/s、5×10-6m/s下，流体入口速度分别为0.4m/s、0.9m/s、1.4m/s时各自的流体出口温度散点分布图，得出地下土壤温度场的分布云图，通过各自的进出口温差对比表明各个工况下换热量的大小。4）对以上分别进行短期运行1天和长期运行15天的模拟。
　　结果表明:1）在所选取的双U型埋管和周围土壤模型参数中（不论埋管周围土壤有无地下水渗流存在和地下水渗流速度为多少）仅改变埋管流体入口速度这一工况（从0.4m/s到1.4m/s），埋管流体出口温度都随流体进口速度的增大而变大;对于某一固定速度而言，流体的出口温度开始最低且开始温度变化很快随后慢慢变化很小。2）以长期运行15天双U型地埋管流体入口流速为0.4m/s为例，当埋管周围土壤无地下水渗流和有地下水渗流且渗流速度分别7×10-7m/s、1×10-6m/s、5×10-6m/s时，埋管流体进出口温差相应依次为4.19K、5.12K、7.23K、9.76K，所以上述四种渗流条件下双U型埋管与周围土壤换热量将依次增加，说明埋管周围土壤有地下水渗流比无地下水渗流存在时更有利于埋管与周围土壤间换热，且埋管周围土壤地下水渗流速度越大埋管与土壤间换热量越大。3）通过对比上述情况下埋管周围有无地下水渗流时温度场分布云图，可以看出无渗流时双U型埋管附近热量堆积严重而渗流速度为5×10-6m/s时热量堆积现象基本消除，说明双U型埋管周围土壤地下水渗流的存在有利于减少埋管附近的热量堆积，渗流速度越大效果越好。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 双U型地埋管在国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 存在的主要问题

1．4 研究内容与技术路线

1．5 小结

第2章 地源热泵的理论基础与系统介绍

2．1 地源热泵简介

2．1．1 地源热泵的基本工作原理

2．1．2 地源热泵的分类及特点

2．1．3 地源热泵地埋管的分类及特点

2．2 地源热泵与空气源热泵相比的优势

2．3 地下埋管换热器传热数学模型理论

2．3．1 线热源理论计算模型

2．3．2 柱热源理论计算模型

2．3．3 数值解传热模型理论基础

2．4 小结

第3章 埋地换热器传热的数值模拟

3．1 计算流体动力学与模拟软件简介

3．1．1 CFD的基本概念

3．1．2 FIUENT软件简介

3．1．3 应用FLUENT解决问题的步骤

3．2 模型的建立与网格的划分

3．2．1 几何模型的建立

3．2．2 模型的简化

3．2．3 模型网格的划分

3．3 FLUENT模拟求解

3．3．1 基本参数设置

3．3．2 设置边界条件

3．4 小结

第4章 数值模拟结果及分析

4．1 在土壤中无渗流情况下的模拟

1、运行1天

2、运行15天

4．2 在土壤中有渗流情况下的模拟

4．2．1 地下水渗流速度为7×10-7m／s时的模拟

4．2．2 地下水渗流速度为1×10-6m／s时的模拟

4．2．3 地下水渗流速度为5×10-6m／s时的模拟

4．3 在不同渗流速度下流体不同入口流速的进出口温差对比

4．4 有无地下水渗流时双U型埋管周围土壤地下温度场的比较

4．5 小结

结论与展望

1、结论

2、展望

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士期间发表的论文