地源热泵U形埋管换热的数值模拟及优化研究

摘要

可持续发展已经成为21世纪各国发展的共同方向和人类社会发展的共识，能源危机是制约可持续发展的关键性因素。地热资源在暖通空调和热水供应等领域已经得到非常广泛的应用，土壤源热泵系统就是其中的一项重要应用。地埋管换热器的传热过程是土壤源热泵系统中最重要的方面，直接影响其运行性能。
　　 本文用数值模拟的方法对地埋管换热器中的U形管的换热过程进行了详细研究。使用GAMBIT软件建立U形管与周围土壤换热的三维模型，用大型商业CFD软件FLUENT进行数值模拟，用其自带的后处理功能对模拟结果进行分析，通过实验验证得出了模型的正确性。通过对冬季和夏季工况下热泵机组连续运行三个月时U形管换热过程的模拟，得出了其在各个时刻的换热量值和总的变化趋势，为工程设计提供参考。通过对土壤温度场在空间各个方向上的分布情况和U形管换热过程各部分热阻的分析，提出了部分强化传热的措施。通过研究土壤的导热性能、回填材料的导热性能、U形管进口水温及流速大小、钻井深度、管腿中心距和换热器管材等因素对U形单位管长换热量的影响，提出了优化U形管换热的方法，得出了一些对工程设计和施工很有价值的结论。