地源热泵系统套管式地埋管换热器传热研究

摘要

地源热泵系统具有低能耗，低污染的特点，完全符合可持续发展战略要求，并已得到广泛的应用。增强地埋管系统换热性能一直是研究工作的重点。
　　本文对新型套管式地埋管换热器的传热过程进行了研究，建立了套管式地埋管换热器与周围土壤的模型，采用FLUENT软件进行模拟计算分析。以“单位延米换热量”作为地埋管换热器换热性能的评价指标，分析了土壤与回填材料的导热性能、地埋管进水温度与流速大小、地埋管长度、管内流体流动方式、管材导热系数以及外管径大小对套管式地埋管换热性能的影响，结果表明:
　　土壤导热系数较高的区域适宜使用地源热泵系统，但是土壤类型不可人为的改变，因此采用导热性能较好的回填材料可以很好的提高套管式地埋管换热器的换热性能，在回填材料导热系数高于3W/(m·K)后，换热效果的增强已不明显;
　　采用较大的循环流速，可以提高套管式地埋管换热器的换热性能，但同时会造成水泵功耗的增加。进口温度的提高可以适当增强套管式地埋管换热器的换热性能，但若进口温度过高会导致机组效率降低;
　　套管式地埋管换热器外进内出循环方式下热短路损失会略高于内进外出式，因此前者换热性能稍优于后者;
　　在满足单井的换热量要求前提下，套管式地埋管管长不宜超过80m，随着管长的增加热短路损失会逐渐加重，使换热效果减弱;
　　管材导热系数的增加可以增强套管式地埋管换热性能，但是同时会使热短路损失增大，管材导热系数超过1.5W/(m·K)后，换热效果的增强已不明显;
　　套管式地埋管的外管应采用较大管径，同时采取较大的循环流速，但外管管径在超过110mm后，换热效果的增强已不明显。
　　通过增大外管管径、增大循环流体流速、减小内管导热系数和减小地埋管长度，可以在一定程度上削弱套管式地埋管换热器的热短路损失。
　　在苏州吴中区的现场搭建了试验台，对外管管径为56mm的新型套管式地埋管换热器换热性能进行现场测试，并将试验实测单位延米换热量与模拟计算所得值进行对比，在一定程度上验证了模型的准确性，所得数据对套管式地埋管换热器的开发与应用具有指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 地源热泵系统概述

1．1．1 地源热泵系统简介

1．1．2 地源热泵系统分类

1．2 地源热泵系统的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 课题研究内容

1．4 课题研究的意义

第二章 套管式地埋管换热器传热模型的建立

2．1 套管式地埋管换热器传热过程的分析

2．2 套管式地埋管换热器传热过程模型简化

2．3 套管式地埋管换热器几何模型的建立

2．4 套管式地埋管几何模型网格划分

2．5 边界条件的设定

2．5．1 初步设定边界条件类型

2．5．2 通过FLUENT设定详细边界条件

2．6 本章小结

第三章 套管式地埋管换热器传热模拟研究

3．1 系统连续运行工况下传热模拟研究

3．1．1 数学模型说明

3．1．2 夏季工况下系统连续运行条件下传热模拟研究

3．1．3 冬季工况下系统连续运行条件下传热模拟研究

3．2 各因素对套管式地埋管换热器换热性能的影响

3．2．1 土壤热物性参数对于套管式地埋管换热性能的影响

3．2．2 回填材料对套管式地埋管换热器换热性能的影响

3．2．3 入口流速和进水温度对套管式地埋管换热器换热性能的影响

3．2．4 地埋管管长对套管式地埋管换热性能的影响

3．2．5 管内流体流动方式对套管式地埋管换热性能的影响

3．2．6 地埋管管材对套管式地埋管换热器换热性能的影响

3．2．7 外管管径对套管式地埋管换热性能的影响

3．3 热短路问题的分析

3．4 本章小结

第四章 套管式地埋管岩土热响应试验研究

4．1 地源热泵岩土热响应测试方法

4．2 测试原理

4．3 试验台的搭建

4．3 仪表误差校准

4．4 试验数据的处理

4．4 试验测试

4．4．1 初始地温测试结果

4．4．2 放热试验测试结果

4．4．3 取热试验测试结果

4．5 数据分析及模型验证

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢