土壤源热泵系统中地下埋管换热性能的研究

摘要

本文采用实验和数值模拟方法对土壤源热泵系统地下埋管传热性能展开研究。通过实验揭示土壤物性参数随土壤含湿量和孔隙率的变化规律，并对现场土壤的非冻土及冻土热物性进行测试比较。采用非饱和多孔介质三参数渗流物理模型，将地埋管温度边界与土壤温度边界进行耦合，从而得到非冻土及冻土条件下地埋管传热特性。
　　沙土物性会直接影响土壤源热泵系统地埋管的换热特性，因此对沙土的热物理特性及其影响因素展开实验研究，分析了含湿量、孔隙率等因素对沙土导热系数、比热容、导温系数等的影响规律。结果表明:同一孔隙率下，沙土随含湿量增加，其导热系数及比热容增大;导温系数在含湿量为5％时最大;同一含湿量下，沙土的导热系数和比热容随孔隙率提高呈线性规律减小，导温系数随孔隙率增大呈线性增大;在一定孔隙率下，导热系数、比热容随含湿量增大而呈线性规律增大;在含湿量大于5％时，导温系数随含湿量的变化呈线性规律降低。研究结果可以为土壤源热泵地埋管受周围土壤换热性能影响问题提供基础数据。
　　土壤冻结后导热系数增大，比热容减小，导温系数增大，所以针对非冻结和冻结土壤分别进行了模拟研究。
　　土壤冻结状态的压力大于非冻结状态的压力;冻结水饱和度变化趋势范围大于非冻结水饱和度，由于水分受到自由沉降的作用，在底层水饱和度接近于1;冻结土壤温度变化趋势范围大于非冻结土壤的温度。在地埋管周围土壤水平方向，温度、水饱和度和压力在横向迁移的变化不是很显著;相反，在纵向梯度上，温度、水饱和度和压力变化较为显著。

目录

声明

致谢

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 地源热泵的研究背景

1．2 地源热泵的发展和研究现状

1．2．1 地源热泵的发展历史

1．2．2 土壤物性研究现状

1．2．3 地埋管传热特性研究现状

1．2．4 研究意义

1．3 研究内容

2 土壤热物性测量方案

2．1 实验目的

2．2 实验工况

2．2．1 土壤孔隙率

2．2．2 土壤含湿量

2．2．3 实验工况

2．3 测量方法

2．3．1 土壤的导热系数

2．3．2 土壤的比热

2．3．3 土壤的导温系数

2．3．4 土壤的密度

2．3．5 现场实验

2．4 本章小结

3 土壤热物性实验结果分析

3．1 导热系数

3．1．1 探针法测量结果

3．1．2 准稳态平板法实验结果

3．2 比热容

3．3 导温系数

3．4 现场实验

3．5 本章小结

4 土壤多孔介质热湿迁移传热传质模型选择

4．1 非饱和多孔介质渗流的基本定律

4．1．1 达西定律

4．1．2 多孔介质能量方程

4．2 非饱和多孔介质渗流传热传质的数理模型

4．2．1 模型的基本假设

4．2．2 物理模型的建立

4．2．3 数理模型的特点

4．3 流体和蒸汽在多孔介质内的迁移

4．3．1 流体在多孔介质内的渗流迁移

4．3．2 蒸汽在多孔介质内的扩散迁移

4．4 模型的建立

4．4．1 几何模型的建立

4．4．2 数值模拟模型的建立

4．5 本章小结

5 地埋管换热性能数值模拟

5．1 UDF结合程序导入Fluent中的结构图

5．2 非冻土工况下的计算结果

5．2．1 非冻土温度的变化

5．2．2 非冻土水饱和度的变化

5．2．3 非冻土压力的变化

5．3 冻土工况的模拟结果

5．3．1 冻土温度的变化

5．3．2 冻土水饱和度的变化

5．3．3 冻土压力的变化

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历

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