土壤源热泵地下垂直换热埋管周围非稳态温度场的数值模拟

  本文关键词：地源热泵地下换热埋管传热特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

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ENERGY CON SERV AT IO N

2005 年第 6 期 ( 总第 275 期)

土壤源热泵地下垂直换热埋管 周围非稳态温度场的数值模拟
吕丽霞, 李素芬, 李 亮, 东 明 ( 大连理工大学动力工程系, 辽宁 大连 116024)
摘要: 针对土壤源热泵地下垂直 U 型换热埋管, 建立了周围土 壤的非稳 态温度场的 数学模型, 并利 用隐 式有限差分法进行了数值模拟。通过对制冷和制热工况的模拟, 得到土壤温度沿径向的变化 规律、 埋管 出水温度的变化规律及埋管的热作用半径的变化规律。 关键词: 土壤源热泵; U 型垂直埋管; 非稳态温度场 中图分类号: T K 523 文献标识码: A 文章编号: 1004- 7948( 2005) 06- 0006- 04

1 引言 掌握和了解地下换热埋管周围的土壤温度场的 分布是进行土壤源热泵系统优化设计和经济运行的 关键和前提。随着土壤源热泵的启停及运行时间的 变化, 地下埋管周围的土壤温度分布呈非稳态特性。 对地下垂直换热埋管周围非稳态温度场进行数值模 拟, 有利于合理设计地下换热埋管的埋深、 数量及间 距, 对提高热泵系统的性能系数和经济性, 降低热泵 系统初投资具有十分重要的意义。本文建立了垂直

U 型埋管式土壤源热泵地下换热埋管 周围非稳态 温度场的物理和数学模型, 并用隐式有限差分法对 埋管周围的温度场进行了数值模拟, 分析了影响温 度场分布和垂直埋管传热性能的因素, 为 U 型垂直 埋管式土壤源热泵的设计提供了参考依据。 2 传热模型 本文研究的 地下换热 埋管的 结构如 图 1( a) 、 ( b) 所示。传热介质在其中流动方向相反, 一进一出 构成闭式循环回路。

( a)

( b)

图 1 U 型埋管 示意图

段以充分发挥市场机制合理配 置资源的基础 性作 用。即充分依靠法规和经济政策而不是用过去的行 政手段去促进市场机制以推动节能。 ( 6) 加强节能的宣传教育以提高公民节能的自觉 性是必要的, 但首先要作好对各地方和有关部门领导 干部的思想教育。如目前从个人政绩观出发而保护 落后的违法行为乃影响节能的最大阻力, 应运用/ 三

个代表0重要思想教育解决。即充分说明保护落后是 和代表先进生产力的发展唱反调; 以权代法和地方保 护等来源于封建残余的落后思想又是和代表先进文 化的发展方向相对立; 保护落后似乎保护了少数人的 暂时利益, 实质上是损害了广大人民群众的根本利 益, 所以必须从根本上彻底纠正, 以保持续节能。 ( 收稿日期: 2005- 01- 12)

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对于早期的地下换热埋管周围土壤温度场的传 热模型
[ 1]

214 边界条件的确定 等效管外壁为第二类边界条件。当热泵运行时 9T r q - K = ( 3) g 9r r= r e q 2 P eq r 式中 q ) 单位钻孔散热量, W/ m。 - K g 9T r 9r 当热泵停止时
r= r

, U 型管的等效管径选取方法单纯地考虑

支管管径, 即取为 2 D 0 , 这一模型由于无法考虑两 支管的位置对整个换热过程的影响, 因此比较粗糙。 本文利用回填热阻等效的思想, 将两支管简化为一 个当量的单管, 可以综合支管管径以及两支管在钻 孔中的位置两方面的影响。文中对不考虑轴向传热 的情况建立了回填材料和钻孔外土壤的非稳态温度 场的物理和数学模型。 211 前提假设 为简化起见, 对传热模型作如下假设 ( 1) 岩土是均匀的; ( 2) 认为埋管周围是无限大空间, 不同深度大地 原始温度一致且不考虑地面换热; ( 3) 岩土和回填材料热物理参数不变; ( 4) 不考虑热湿迁移的影响; ( 5) 等效管不同深度管外壁的温度一致, 散热量 一致; ( 6) 忽略管壁与回填材料、 回填材料与钻孔壁的 接触热阻。 212 导热微分方法 对于管子外壁与钻孔壁之间的回填材料 9T r K 92 T r g 1 9T r = ( ) 2 + 9S Q c g 9r r 9r g ( r eq [ r [ r b ) 对钻孔外的土壤
2 K 92 T s 9T 9 = Qc ( 2 + 2 ) 9S s s 9x 9y T [ 2~ 3]

= 0
eq

( 4)

钻孔外土壤的远边界为绝热边界条件, 即 : 9T - K 9x s - K s 215 等效管径的确定 等效管示意图如图 2 所示。 1 回填热阻 R g = SbK g 1 ln( r b ) Rg = 2Pg K r eq 9T 9y
x= ]

= 0 = 0

( 5) ( 6)

y= ]

( 7) ( 8)

( 1)

( 2)
图2 等效管示意图

( 式中

x 2 + y 2 \ r b) 形状因子[ 4] e ) 、密 度 kg/ m 3 和 比 热 容 J/ ( kg # e ) ;

K 、 g、 g ) 回填材料 的导热系数 W/ ( m # g Q c

K、 s、 s ) 土壤的 导热系数, W/ ( m # e ) 、 s Q c 密度 kg/ m 3 和比 热 容 J/ ( kg # e ); r eq ) 等效管外径, m; r b ) 钻孔半径, m; T r 、 ) 回填材料和土壤的温度, e ; T S) 时间, s。 213 初始条件 将原始大地看成是等温体, 并取大地的年平均 值作为土壤的原始温度。

r b B1 ) r0 rb 等效管的外径 r eq = 2 P R e Kg g 式中 r b ) 钻孔半径, m; S b = B0 ( r 0 ) 支管半径, m;

( 9) ( 10)

B0 、 1 ) 几何参数, 与 U 型管在钻孔中的布 B 局方式有关。 216 地下换热埋管内有关温度的确定 地下换热埋管内流体的平均温度为[ 5~ T a = T eq + q l R pipe 式中 T eq ) 等效管壁的温度, e ; q l ) 单位管长散热量, W/ m ; R pipe ) 等效管内热阻, ( m # e ) / W, 且
7]

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R pipe = 式中

ln( r eq / ( r eq - ( r o - r i) ) ) 1 + ( 12) 2Pp K 2 P i hi r h i ) 支管内换热系数, W/ ( m # e ) 。 T o = T a - q / ( 2mc pw ) ( 13)

m 热泵连续运行 840h 土壤温度的变化; 图 5 为制冷 工况连续运行 240h 出口水温的变化。由图 3、 4 图 可见, 在相同的运行时间下, 距离埋管越近, 土壤温 度上升得越快; 随着运行时间的增加, 埋管周围的土 壤温度升幅有所下降。在距离钻孔中心 014m 处, 热泵运行初始阶段, 土壤温度迅速上升, 当运行 70h 后, 土壤温度上升的幅度开始减小; 而在距离钻孔中 心 115m 处, 热泵运行初始阶段, 土壤温度几乎没有 变化, 当运行 70h 后, 土壤开始受到热干扰, 土壤温 度上升较快, 当运行 480h 后, 土壤的温度升幅有所 下降。由图 5 可见, 换热埋管的出水温度在热泵运 行初始阶段上升较快, 随着运行时间的延长, 出水温 度的升幅有所下降, 并逐渐趋于稳定。在热泵运行 的初始阶段, 地表面的空气温度比较高, 且需要将要 制冷的房间进行冷却, 换热温差比较大, 所以出水温 度上升得快。随着运行时间的延长, 需要制冷的房 间室内温度已经低于热泵运行初始阶段的温度, 且 与换热介质之间的温差有所降低, 所以出水温度的 升幅会有所下降。当室内温度基本维持在设定值的 时候, 其与换热介质的温差基本上维持为一恒定值, 故换热埋管的出水温度也基本上趋于一恒定值。由 图 3、 4 中还可以看出, 对于相同的运行时间, 单 图

地下换热埋管出水温度 T o 的表达式为 3 数值模拟结果分析 本文应用隐式有限差分法求解 U 型垂 直埋管 周围非稳态温度场: 根据隐式差分法的基本原理和 非稳态温度场的数学模型, 采用 FORT RAN 语言编 制了计算程序, 进行埋管周围土壤非稳态温度场的 数值计算。 文中模拟了制冷和制热工况土壤源热泵连续运 行时地下换热埋管周围温度场的分布。模拟结果如 图 3~ 8 所示。

图3

制冷工况埋管周围温度场分布

位钻孔散热量越 大, 换热 埋管的出水温度 也越高。 如运行 60h, 单位钻孔散热量为 50W/ m 时出水温度 为 23148 e ; 单位钻孔散热量为 70W/ m 时出水温度 增加为 27127 e 。

图 4 制冷工况土壤温度

图 6 制热工况埋管周围温度场分布

图 6、 7 为制热工况单位钻孔吸热量为 20W/ 图 m 时, 土壤温度的变化。图 8 为制热工况连续运行 240h 出口水温的变化。由图 6、 7 可见, 在相同的 图 运行时间下, 距离埋管越近, 土壤温度下降得越快; 且随着运行时间的延长, 埋管周围的土壤温度下降
图 5 制冷工况出口水温

的幅度有所降低。在距 离钻孔中心 014m 处, 热泵 运行初始阶段, 土壤温度迅速下降, 当运行 110h 后,

图 3、 4 为制冷工况单位钻孔散热量为 70W/ 图

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复合管在不同换热量时的热作用半径。由图可知, 埋管的热作用半径随着埋管换热量的增加而逐渐增 大, 如单位钻孔散热量为 50W/ m 时, 埋管的热作用 半径为 4112m; 当单位 钻孔散热量增 加到 70W/ m 时, 埋管的热作用半径也相应地增加为 4138m。 4 结论 ( 1) 给出了一定条件下埋管的热作用半径, 为 U 型垂直换热埋 管的地下管群的设计提 供了参考依 据。
图 7 制热工况土壤温度

( 2) 换热埋管的热作用半径随单位钻孔散热量 的增大而增大。 ( 3) 本文等效管模型建立在回填热阻等效的基 础上, 充分考虑了支管管径及两支管在钻孔中位置 的影响。 ( 4) 热泵运行初期, 地下换热埋管出口水温变化 较快, 运行一段时间后水温变化平缓, 并逐渐趋于稳 定。 ( 5) 对于相同的运行时间, 制冷工况单位钻孔散 热量越大, 地下换热埋管出口水温越高; 制热工况单 位钻孔吸热量越大, 地下换热埋管出口水温越低。

图8

制热工况下出口水温

参考文献
[ 1] G u Y, O. N eal D L. Dev elpment of an equivalent diameter ea for ver tical U tubes used in gr ound coupled heat pumps[ J] . A SHRAE T ransactions, 1998, 104( 2) : 347- 355. [ 2] Y avuzturk C. , Spitler J. D. , R ees S. J. . A transient T wo Dimensional finite volume mo del for the simulation of verti cal U T ube gr ound heat ex changers[ J] . ASHRAE T ransac tions, 2001, 107( 2) : 617- 625. [ 3] Deerman J. D. , K avanaug h S. P. . Simulation of vertical U T ube G round Coupled heat pump systems using the cylindrical heat source solution [ J ] . ASHRA E T ransactions, 1991, 97( 1) : 287- 295. [ 4] Y av uzturk C. , Spitler J. D. . Field validat ion of a short time step model for vertical ground loop heat ex changer s [ J ] . A SHRAE T ransactions, 1999, 105( 2) : 465- 474. [ 5] Cane R. L. D. , Forgas A. . M odeling of g round sour ce heat pump performance [ J ] . ASHRAE T ransact ions, 1991, 97 ( 1) : 909- 925. [ 6] 史新慧. 地源热泵 地下换 热器计 算模拟及 地上机 组节 能 研究[ D] . 大连: 大连理工大学, 2004. [ 7] 史新慧, 李素芬, 卢立宁 . 套 管式 地下 换热器 研究 [ J] . 节 能, 2004, ( 7) : 22- 23. 作者简介: 吕丽霞( 1979- ) , 女, 内 蒙古人, 在读硕 士, 从事 地

土壤温度下降的幅度开始减小; 而在距离钻孔中心 115m 处, 热泵运行初始阶段, 土壤温度几乎没有变 化, 当运行 110h 后, 土壤开始受到热干扰, 土壤温度 下降的幅度有所降低。由图 8 可见, 换热埋管的出 口水温在热泵运行初始阶段下降得较快, 随着运行 时间的延长, 出水温度下降的幅度有所降低; 对于相 同的运行时间, 单位钻孔吸热量越小, 换热埋管的出 水温度越高, 如运行 80h, 单位钻孔吸热量为 40W/ m 时 的 出 水 温 度 为 6118 e ; 单 位 钻 孔 吸 热 量 为 20W/ m 时的出水温度为 10109 e 。 文中还模拟了相同埋深、 不同单位钻孔换热量 时埋管的热作用半径, 如图 9 所示。

图9

制冷工况埋管的热作用半径

图 9 中为土壤源热泵制冷工况连续运行 840h、 埋深为 4715m、 外径为 32mm、 壁厚为 3mm 的铝塑

源热泵方面的研究。 ( 收稿日期: 2005- 05- 12)

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Key words: Lithium Bromide; absorpt ion; assisting design sof t -

Energy Conservation( Monthly)
Sponsor: L iaoning P rovincial Institute of Science and T echnology Information Publisher: 5Energ y Conservation6M agazine Publishing House Chief Editor: ZHANG We- hua i Address: N o. 274 Qingnian Boulevard Shenyang City L iaoning P rovince China Post Code: 110016

ware; opt imize designing

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Design of the AC photovoltaic water pump system
LI D e -bao This paper introduces t he basic t heory of space -vect or PW M ( SV P WM ) , an d designs the AC phot ovoltaic w at er pump syst em on t he basics of this t heory. The syst em uses the TM PPT mode t o make t he solar bat tery w ork at the most pow er point , and provides t he most energy f or t he load at t he same time. Key words: space vect or PWM ; A C photovolt aic water pump sys tem; TM PPT mode

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Application of chopped wave and inter feeding device to turbine s circulating heatwater supply .
SO NG J- f u, WA NG Wei, WU Chun i -wang In t his art icle, it is int roduced t hat t he t urbine. s circulat ing heatw a ter is applicat ed in cit y. s heat supply, exhaust st eam of circulating st eam pump is reused, and speed cont rol device of circulat ing mot or -driven pump is applicat ed in t he cit y. s heat w at er supply system. The principle of t heir saving energy is analysed, and t he design project of th e system w as also present ed. Key words: chopped ave and int er feeding speed mot or; -w chopped ave and inter f eeding speed cont rol device; t urbine; circulat ing -w heatw at er supply syst em

ABSTRACTS
Jun 2005 N o. 6 Tot al Issue N o. 275

Numerical simulation of the soil temperature f ield around vertically buried pipe of a ground source heat pump L?L- x ia, LI Su en, LI Liang, et al. i -f A t ransient heat t ransf er model of t he soil temperat ure f ield around a vertical U-t ube of ground source heat pump w as est ablished. T he nu merical simulation was obtained by using t he implied f init e dif feren ce m ethod. By making the simulation of cooling and heat ing mode, t he change rules of t he soil t emperature wit h t he radial direct ion, t he change rules of the exit water temperat ure of t he buried pipe and the thermal in f luencing radius in t he vert ical mult- pipe w ere obt ained. i Key words: ground -source h eat pump; vertical U-tube; t ransient t emperature f ield

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Study on a new control system for energy saving in center A/ C air conditioning
CA O Q iu eng -sh This art icle int roduces a new cont rol system f or energy -saving in cent er A / C air condit ioning. Applies various advanced techniques such as f requency conversion, opt imizat ion control, fuzzy cont rol and computer programing, t he syst em has t he charact erist ic t hat tracks t he fluct uant loading. Wit h t he special ex pert syst em soft w are f or management, it w ould be th e developing trend in t he f ield f or energy -saving in cent er A / C air condit ioning. Key words: cent ral air condit ioning; energy -saving; f requency conversion; f luctuant loading

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Calculation and analysis of low temperature mult- effect evaporation for seawater desalination i
SH EN Sheng -qiang, ZHAN G Q uan, LIU Xiao-hua M athemat ic model of mult- ef fect evaporation desalination process i has been est ablished. The perf ormance of t he low emperat ure mult- ef-t i f ect evaporat ion desal ination process is calculat ed and analyzed wit h for w ard flow , paralled f low an d parallel/ cross flow . Result s indicat e t hat t he w at er product increases greatly w it h t he increase in temperat ure of heating steam and t he amount of h eat ing steam also increases. But t he gained out put rat io decreases w ith the increase in heat ing st eam t emperat ure. T he mult- eff ect evaporat ion desalinat ion process w it h parallel / cross f low i presents a higher ut ilizat ion rat io of thermal energy. Key words: seawater desalinat ion; low-t emperature mult- ef fect e i vaporat ion; f low arrangement ; gained out put rat io

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Discussing the application of booster pump station in engineering
CU I Hong, LI Guo -bin, FEN G Guo hui Through t he engineering. s examples, analyzing t he economy of set ting up some booster pump st at ions in suit able posit ion of hot - water net w ork. Boost er pump st at ions also can be set up in excavat ing pot en tialit y and ref orming the hot w at er net w ork. T hen w e can solve t he grow t h of electric of th e syst em and t he consum er. s overpressure. Find t he met hods of f ixing t he booster pump st at ions and the principle of pa ramet er. Key words: boost er pump st at ion; hot w ork netw ork; overpres sure; heat supply net resist ance loss -

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Used CFD f or the three dimensions numerical simulation of the indirect evaporative cooler
R EN Cheng qin, ZHA N G Long-ai T his paper deals w ith t he num erical predict ion of mixed convect ion h eat and mass transf er in indirect evaporat ive cooler used CFD and nu merical h eat t ransfer met hod. T he mat hemat ics model has been made for t he fluid flow and heat and mass t ransfer wit h t he simplifying assump t ions, t he t hree -dimensional SIM PLE algorithm codes wit h st aggered grid was used to predict the physical process. Predict ed result s about t he f luid f ield、 temperat ure f ield and concent rat ion f ield w as present , have analysed t he influence on heat exchanger w it h dif ferent passagew ay. Key words: heat ex changer; evaporat ive cooling; numerical simu lation

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Radiant cooling ceilings and dwelling house air conditioning Y U W en hong, Y AN G Zhao This paper discusses t he characterist ics of dw elling house air -condi tioning, and t he def ect s of dw elling house air condit ioning system w ith radiant cooling ceilings, such as inner w all dampn ess and forbidding na ture vent ilat ion, t his air condit ioning scheme w oul d not be adopt ed in dw elling house in hot and wet district . Key words: radiant cooling ceil ings; dw elling house; air con dit ion ing design

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Developped assisting design software and optimization analysis was carried out f or absorption cooling system

J IA O Y ong-gang, LU O Yong, ZHA NG Zhu -ping T he sof tw are about t wo eff ect Lith ium Bromide absorpt ion cooling syst em is programmed. A opt imizat ion analysis w as carried out f or t w o eff ect absorption cycles of series f low using a new ly developed simulat ion program. In addit ional, the soft w are can opt imize the designing of t he cooling system, make t he cooling syst em has maximal coef ficient of per f ormance or t he maximal CO A for heat exchanging component s. And op t imizing wit h CO A can int egrat e t he manufacturing cost of t he syst em w it h t he movement cost of t he syst em.

重

要

启

事

本刊 7 月份将使用新户名、 新开户行、 新账 号: 辽宁省科技情报研究所、 沈阳市商业银行火 炬支行、 07031030- 01- 00309- 00425- 4。 原/ 节能杂志社0的户名与账号作废。



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