热渗耦合竖直地埋管地源热泵系统模型构建与研究

发布时间：2020-08-11 15:23

【摘要】：浅层地热能作为一种储量巨大的清洁可再生能源,逐渐成为了全世界应对能源危机的新选择。地源热泵技术是将换热器埋置于地下,直接获取浅层地热能的新型热泵技术,具有高效节能、环境友好、一机多用等显著优点。地埋管换热器的传热是研究地源热泵技术的关键内容,在过去的研究中,通常是将土壤与换热器之间的传热视为单一的导热过程,而忽略了地下水带来的影响,导致地埋管设计管长过长,初期建造成本偏大。本文以地埋管出口流体温度和土壤平均温度作为评价条件,研究地下水渗流对竖直地埋管地源热泵系统性能的影响。首先,对传统的竖直地埋管换热器传热模型进行研究,探讨土壤与换热器之间的传热过程。然后基于多孔介质的基本理论,考虑地下水渗流带来的影响,建立土壤热渗耦合作用下的竖直地埋管换热器数学模型,并利用有限差分法求得模型的数值解。以传统的U型管换热器程序为基础,建立考虑地下水渗流影响的竖直地埋管换热器程序,为了验证程序的准确性,对已有的沙箱实验装置的进出口流体温度数据进行验证,模拟与实验结果绝对误差在±0.2℃以内,验证结果良好。最后,以实际工程为研究对象,在系统瞬时模拟软件中构建土壤热渗耦合作用下的竖直地埋管地源热泵系统,分别在有无地下水渗流的工况下进行全年逐时模拟,结果表明:与无地下水渗流工况相比,地下水渗流能提高系统供暖季出口流体温度,降低供冷季出口流体温度,系统年平均出口流体温度降低了0.36℃,结论是地下水渗流可以强化地埋管换热器的换热能力,同时削弱土壤中热量/冷量的累积效应,使得土壤温度的变化幅度更小。此外,本文还分别在6种不同的渗流工况下进行地源热泵系统10年长期模拟运行,结果表明随着地下水渗流速度和土壤孔隙率增大,地下水渗流对地源热泵系统的影响增强,更有利于系统长期运行。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU83;TK529
【图文】：

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图 1.1 竖直地埋管地源热泵系统示意图地源热泵系统特点源热泵系统被誉为 21 世纪的绿色空调技术，主要有以下用清洁可再生能源太阳能是一类取之不尽用之不竭的新像是一个巨大的太阳能收集器，收集了约 1/2 太阳辐射年人类消耗的能量总和还不及地表收集太阳能的 1/500[11

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华中科技大学硕士学位论文质理论改进传热模型，在模型中加入地下水渗流的影响。2）将考虑土壤热渗耦合作用的竖直地埋管换热器传热模型在系统瞬时序化，并改进现有的地埋管模块，结合已有的实验数据对地埋管模块的证。3）整理医院建筑的设计参数，结合当地的气候数据，在负荷模拟软件时冷热负荷模拟计算。在系统瞬时模拟软件中建立包含建筑负荷、热泵渗耦合作用下的地埋管换热器三个部分的地源热泵系统模型，在多工运行，分析地下水渗流对地源热泵系统性能的影响。术路线文主要技术路线如下图：

示意图,二维网格,相邻节点,热流量

15图 2.1 二维网格划分示意图 ( , ) ( , ) ( , 1) ( , ) ( , ) ( , ) ( 1, ) ( , ) 向上相邻节点（i， j 1）和（i， j）之间热流量i j 1i j 向上相邻节点（，）和（，）之间导热系向上相邻节点（i 1，j）和（i， j）之间热流量i 1j i j 向上相邻节点（，）和（，）之间导热系散为：

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