考虑流固耦合传热的土壤源热泵地下换热器研究

摘要

土壤源热泵系统因为其高效、环保、节能等特性日益得到人们广泛的重视，而应用和推广地源热泵的关键技术之一是解决地埋管与土壤之间的传热问题，因此完善地下换热器的传热模型，使其能更真实的模拟地埋管换热器传热过程具有重要的意义。
　　本文对双U型管地下换热器进行三维传热和流动模拟计算，与现有的简化模型相比，在模拟中没有任何几何尺寸上的简化，真实模拟包括管内液体与管内壁间的对流传热，管壁与回填材料之间的导热，回填材料与土壤导热以及土壤的导热在内的复杂传热过程。本文的研究内容主要有:
　　1.建立三维流固耦合传热模型，模拟了放热工况下双U型管与土壤的传热，得到双U型管水平和竖直方向上的温度分布特点，并提取出了双U型管的单位井深换热量随时间的变化规律。
　　2.结合热响应实验将埋管出口水温及孔壁温度的实测值与模拟结果对比，平均误差分别为4.9％和3.7％，验证了本文建立的地下换热器传热模型的正确性。
　　3.用验证后的模型与现有有限长线热源模型进行对比分析，根据模拟结果对线热源模型进行数值修正。
　　4.在修正后的线热源模型基础上建立土壤源热泵换热孔群的三维模型，模拟土壤源热泵换热孔群传热特性的研究。
　　本文对土壤源热泵地下换热器的研究可以应用于实际工程并作出指导。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 地下换热器及其传热模型介绍

1．2．1 地下换热器及其数值模拟

1．2．2 地下竖直U型管换热器的传热模型

1．3 地下换热器传热过程的国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第2章 双U型管地埋管换热器传热的数值模拟

2．1 传热过程分析

2．2 建立双U型管数值模型

2．2．1 数值模拟方法及求解区域的设定

2．2．2 物理模型的建立及网格划分

2．2．3 边界条件及参数的设定

2．2．4 紊流模型、求解器及离散格式的选择

2．3 双U型埋管放热工况模拟结果及分析

2．3．1 双U型埋管换热量随时间的变化

2．3．2 周围土壤温度场随时间的变化

第3章 热响应实验

3．1 实验系统简介

3．2 实验目的

3．3 实验原理

3．3．1 测试方法

3．3．2 土壤热物性的分析计算原理

3．4 实验步骤

3．4．1 测试要求

3．4．2 测试孔的构建和温度测点的布置

3．4．3 土壤初始温度的测试步骤

3．4．4 导热系数的测试步骤

3．5 实验结果及分析

3．5．1 土壤初始温度分布及分析

3．5．2 加热测试结果及分析

3．6 数值模型的验证

第4章 有限长线热源模型的数值修正

4．1 常热流有限线热源模型介绍

4．2 有限长线热源钻孔壁土壤特征温度的确定

4．3 有限长线热源模型的分析及修正

第5章 土壤源热泵地下孔群模拟

5．1 有限元热分析

5．2 孔群模拟计算过程

5．2．1 模型假设

5．2．2 孔群模型的建立及网格划分

5．2．3 参数选择及边界条件设定

5．2．4 计算求解

5．3 土壤源热泵换热孔群土壤温度场分析

5．3．1 夏季运行结束时土壤温度场分布

5．3．2 过渡季运行结束时土壤温度场分布

5．3．3 冬季运行结束时土壤温度场分布

5．3．4 一年运行结束时土壤温度场分布

5．3．5 土壤源热泵换热孔群连续运行一年土壤平均温度变化

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢