地埋管换热器管间热短路特性的研究

摘要

地源热泵（GSHP）作为可再生能源系统，能有效节约能源，帮助缓减环境污染。GSHP应用中，U型管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，所以，对于U型管换热规律的研究尤为重要。地埋管换热器较多垂直置于地下钻井之中，此种埋管方式情况下，换热器的下水管和上水管在换热井中间距较近，无法避免地引起下水管和上水管的换热干扰，影响换热效率，称之为热短路现象。如何避免热短路现象的发生，提升埋管换热器的效率，是GSHP研究领域的热点问题。
　　本课题在热响应实验的基础上，通过FLUENT建立单U型竖直地埋管系统的三维非稳态数值模型。引入热短路不平衡系数作为评价热短路现象强弱的指标，分析了回填土导热系数、管内流速、系统井深和运行方式对地埋管热短路现象的影响。模拟结果表明，回填材料导热系数和系统井深与热短路不平衡系数成正比，但采用高于土壤导热能力的回填土时，换热量的增幅因热短路效应的加剧越来越小；流速与热短路不平衡系数成反比，流速低于0.6m/s的情况下，系统换热量受热短路现象的影响较大，对比系统流速由0.2提升至0.4m/s与0.8提升至1.0m/s的模拟结果，周平均换热量随流速的增幅要降低87.9%；热短路不平衡系数作为衡量热短路现象强弱的指标，受运行时长的影响较小。其强弱只与运行时的流速，土壤热物性，埋管深度有关。采用间歇运行（10:14运停比）可以提升系统换热效率，系统日平均换热量在第七天时有28.7%的提升，但不能缓解热短路现象。在热短路特性分析的基础上，本课题还提出了添加管间隔热板与采用相变回填材料两种热短路抑制措施。
　　本文以隔热板作为热短路现象抑制措施时，在特定条件下系统周平均换热量最多可提升4.74%。在此基础上，对隔板尺寸进行优化，结果表明：隔板的高度宜接近埋管深度的60%，隔热板长度应接近钻井回填区域的直径。结合经济性分析，以此种抑制措施提升系统效率降低系统造价，确实可行。
　　另一方面，采用相变材料作为热短路的抑制措施，可以大大降低系统热短路不平衡系数，降幅达到50%以上，但由于现今相变材料导热系数的局限性，以相变材料回填的地埋管系统的换热情况并不如传统回填土系统，只能达到传统回填土的48.3%~83.4%，但相变材料系统依然具有换热环境稳定、适用于系统长期运行以及降低埋管系统的热响应半径等优点，且相变系统达到稳定换热工况所需的进出口压降不到传统回填土系统的15%。

目录

声明

引言

1 研究背景

1.1 地源热泵简介

1.2 系统的组成

1.3 国内外研究现状

1.4 课题研究内容及意义

2.1 物理模型

2.2 数学模型

2.3 模型的建立

2.4 本章小结

3 模型的验证

3.1 验证模型的基本参数

3.2 模型的验证结果

3.3 本章小结

4.1 模拟结果评价指标

4.2 回填材料导热系数对热短路现象的影响

4.3 管内流速的影响

4.4 埋管深度对热短路现象的影响

4.5 间歇运行对热短路现象的影响

4.6 本章小结

5.1 添加管间热短路抑制措施

5.2 相变材料对系统热短路特性的影响

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

在学研究成果

致谢