地下水渗流对土壤源热泵地埋管换热特性影响研究

摘要

地源热泵是一种高效、节能、环保，有利于可持续发展的空调方式。地源热泵技术为解决能源危机和环境污染这两个困扰我国发展的重大问题、为我国的可持续发展带来了契机。地源热泵技术在中国有广阔的发展前景。地源热泵的应用研究，涉及浅层大地的水文地质条件。岩土物性是影响地源热泵运行特性的重要因素；而地下水的渗流，从理论研究和实际工程来看都会对地源热泵运行特性有重大的影响，是准确确定地源热泵设计的关键因素。 本文首先阐述了地源热泵的特点、研究现状与进展，以及与地源热泵密切相关的土壤物性参数。接着根据成都平原的水文地质情况，将土壤考虑为饱和多孔介质，并考虑了土壤中地下水的水平渗流后，建立起井群以及周围土壤热渗耦合模型，模拟井群与土壤的换热过程以及土壤温度场分布情况。论文采用建模软件GAMBTT建立物理模型，用数值计算软件FLUENT进行数值模拟计算。并采用西南交通大学所提供的地源热泵实验台进行实验，实验数据验证了所建立的模型和采用FLUENT软件进行模拟计算是可行的。 本文分析了不同土壤物性(导热系数、比热、密度、孔隙率)、地下水渗流速度以及换热量对土壤温度场分布的影响，并分析这些参数对土壤热阻阻值大小的影响。在模拟出井群温度场的基础上，提出了如何避免井间热干扰以及减少用地面积的井群优化布置的方法，并提出了井群优化布置的评价标准。在进行了井群优化布置之后，结合井群模型，论文提出了在存在地下水渗流地区的地埋管管长计算方法。在论文的最后，对部分负荷下热泵系统井群换热器的两种运行方式进行了比较，得出了在部分负荷下小负荷连续运行方式下，井群埋管能提供更低的出水温度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1本课题提出的背景及研究意义

1.2热泵工作原理及分类

1.2.1热泵工作原理

1.2.2热泵分类

1.3土壤源热泵系统概述

1.3.1室外地能换热系统

1.3.2土壤源热泵的特点

1.4国内外研究发展现状

1.4.1国内研究发展现状

1.4.2.国外研究发展现状

1.5本文研究内容

第2章土壤物性参数及原始温度的确定

2.1土壤物性参数

2.1.1导热系数

2.1.2土壤的比热

2.1.3土壤的导温系数

2.1.4孔隙度

2.1.5渗透率

2.2土壤的初始温度

2.2.1土壤初始温度的计算

2.2.2土壤温度实际测量值及分析

2.2.3土壤温度计算值与测量值的比较

第3章实验系统及实验方案

3.1实验系统介绍

3.1.1室外地埋管换热系统设计

3.1.2室内空调系统装置

3.1.3测量仪器

3.2实验误差分析

3.3实验方案及实验数据处理

3.3.1实验方案

3.3.2数据处理方法

第4章地下换热器数学模型及数值模拟

4.1常用地下换热器数学模型

4.1.1基于线源理论的模型

4.1.2基于柱源理论的传热模型

4.1.3三维瞬态远边界传热模型

4.2考虑渗流影响的单井传热模型

4.2.1钻孔外模型假设

4.2.2钻孔外模型的数学控制方程

4.2.3钻孔外模型的定解条件

4.2.4钻孔内等效管径的确定

4.2.5钻孔内有关温度的确定

4.3模型的数值计算

4.3.1 FULENT介绍

4.3.2网格划分

4.3.3控制方程的离散化方法

4.3.4求解器的设置

4.4模型验证

4.4.1地埋管出水温度验证

4.4.2埋管周围温度场验证

4.4.3验证结果

第5章模拟分析

5.1影响土壤温度场分布的因素分析

5.1.1土壤导热系数的影响

5.1.2土壤密度与比热容的影响

5.1.3土壤孔隙度的影响

5.1.4渗流速度的影响

5.1.5单位井深换热量的影响

5.1.6小结

5.2井群优化布置

5.2.1井群模型建立及模拟结果分析

5.2.2井群优化布置

5.3地埋管长度的计算

5.4部分负荷时埋管运行方式比较

5.4.1非渗流情况下的比较

5.4.2渗流情况下的比较

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文