土壤源热泵系统中竖直U型埋管换热器强化传热研究

摘要

高效利用可再生清洁的地热能、提高人居环境的舒适度并实现节能环保是本课题研究的主要目的。传统的空调系统受环境温度影响大、能效较低;水源热泵空调系统存在回灌难、污染地下水等问题;土壤源热泵空调系统在供暖、制冷、供热水等方面具有运行稳定、效果良好等优点,在国外己广泛应用。但国内的研究与应用起步较晚,解决地埋管换热器与土壤间的强化传热、系统初投资较高等问题是推动其发展的关键。
　　 本文以竖直U型埋管换热器为研究对象,采用数值模拟方法对影响地埋管换热效率的各种因素进行深入研究,在以下几个方面开展了创新性工作:
　　 (1)基于实际应用的地埋管换热器建立单、双U型埋管三维模型,用单井换热量和U型埋管换热器效率来综合分析影响换热的主要因素,结果表明,井深、流体速度、回填材料导热系数及支管中心距对换热的影响较为明显,而U型管管径及管材对换热基本无影响。
　　 (2)通过模拟分析地埋管换热器的传热过程发现,当井深小于150m时,增加井深使换热器的总换热量增大,但当井深大于250m时,由于支管间热短路现象加剧,随着井深的增加总换热量趋于平缓,且钻井费用提高,因此最佳井深范围可取150m～250m;提高U型管内流体的流速,使总换热量与U型埋管换热器效率增加,当流速超过0.8m/s时两者的增加速率都已很低,而同时U型管进出口压降却迅速增大,因此,推荐U型管内经济流速范围为0.4m/s～0.8m/s。
　　 (3)将双U型埋管并联与串联两种方式进行对比发现,在最佳井深与流速范围内,并联的换热量比串联提高40％左右,采用双U型管时建议选取并联连接方式。将相同条件下的单、双U型埋管换热器热短路情况进行对比,发现双U型管的热短路情况较单U型管严重。为此采用在进出水管间增设隔热板或在出水管敷设保温层的方法来减小热短路,结果表明,后者的效果优于前者,在最佳参数范围内使换热量提高8%以上,并且敷设保温层的方法更易实施。并在此基础上对回填材料导热系数进行研究,得出无保温层时,回填材料取与土壤导热系数接近的较为合适;有保温层时,回填材料导热系数取25～30W/m·K,此时的换热量较无保温层时的最大换热量提高20%～40%。
　　 (4)为降低系统的初投资,在原有模型的基础上,分析了多U型埋管换热器,并对其在钻井中的布置方式进行优化。研究结果表明,每口钻井中的U型管数量取三组为最佳,并提出将三U型埋管出水管束捆扎在一起并将管束外敷保温层的新型组合结构,该结构更加紧凑,施工更加方便,在最佳井深与流速范围内,总传热量比单U型埋管换热器增加30%以上,适当提高回填材料的导热系数可使地下部分投资比最初采用单U型埋管时降低46%。