土壤蓄能与土壤源热泵集成系统地埋管换热特性研究

发布时间：2020-08-13 09:10

【摘要】： 埋管换热器占地面积大与冬夏热不平衡造成系统的出力不足一直是土壤源热泵技术在推广应用中存在的两大问题；同时，电网峰谷负荷差逐年上升是造成我国电力供应紧张的主要因素。本文出于解决以上两大难题，结合土壤蓄能技术的特点，创造性地提出了土壤蓄能与土壤源热泵集成系统。该系统充分利用了土壤蓄能技术和土壤源热泵技术的优点，将蓄能装置转移到土壤源热泵的地下埋管换热器系统中，使埋管换热器和蓄能装置合二为一，各取所长。通过对土壤层内双功能U型埋管换热器传热过程的分析，在能量守恒基础上，首次建立了地下管群换热器分别在土壤蓄能、释能过程以及停机工况下的三维传热数学模型。通过数值模拟，从理论上分析了埋管管材、回填材料、土壤类型、钻井深度、埋管间距以及系统的预蓄冷时间对系统运行特性的影响；结合冬季两种不同模式的运行工况分别对在其运行条件下的地埋管换热器进行了结构优化。为新系统的地下埋管换热器的优化设计及系统参数匹配等方面提供理论支持与技术储备。通过本文的研究结果表明：土壤蓄能与土壤源热泵集成系统技术的应用可以减小埋管换热器的占地面积、解决冬夏热不平衡以及平衡电网峰谷负荷，将会为21世纪的建筑提供一种节能、清洁与可持续发展的空调方式。
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH38
【图文】：

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绌妒垦绗宦畚牡诙錅碌芈窆芑蝗绕鞔鄥饶Ｐ偷睦砺垩芯?蓄能与土壤源热泵集成系统的地下U型埋管换热器由里及外分别为水、管、回填材料和上壤，如图2一1所示。因此，埋管的管内壁与土壤之间的换热实际上是一个通过多层介质的导热过程，具体由7个传热过程组成:进入U型管的流体首先与管内壁对流换热过程、管壁的导热过程、管外壁面与回填物之间的传热过程、回填物内部的导热过程、回填物与孔壁的传热过程、孔壁周围即土壤的导热过程和大气与地表面对流换热与热辐射。整个传热的过程涉及对流换热，热传导以及热辐射。厂厂哗茱塑》讼、土壤 lllll聋___一一图2一1双功能U型埋管换热器结构示意图管壁与回填材料，回填材料与土壤之间的传热涉及多孔介质中的热传导，如果认为埋管与回填土、回填土与土壤之间接触紧密，即忽略接触热阻，则可省去换热管外壁面与回填物之间的传热过程和回填物与孔壁的传热过程。土壤是一个饱和的或部分饱和的含湿多孔介质体，因为土壤中一般都含水分，从热力学角度分析，土壤中热量的传递会引起水分的迁移，水分的迁移又伴随着热量的传递;如果地下换热器的安装地点有比较丰富的地下水的话

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模型计算的主要区域，如管内流体和管壁，适当加密网格;在满足计算精度的前提下，尽量减少其它非主要计算区域的网格。根据对称性，只模拟四分之一的物理模型，其网格划分如图2一3所示。图2一3双功能U型理管换热器物理模型的网格划分图2.4.2方程的求解方程的求解是借助以大型商业软件FLUENT为平台，以GAMBIT软件为结构及网格划分前处理辅助工具，通过合理假设和简化，建立双功能U型埋管换热器的数学物理模型，实现对双功能U型埋管换热器的数值模拟。(l)管内流体的流动方程求解:根据计算出来的雷诺数可知管内流体的流动属于湍流，结合以上的控制方程对管内流体的流动的数值计算在FLUENT里选取了k一。模型进行求解。

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中南大学硕士学位论文第四章冬季工况系统地埋管换热器的结构优化当管间距为0.6m时，平均每根外层管的日取热量高出内层管8.gMJ;当管间距为0.sm时，平均每根外层管的日取热量高出内层管5.3MJ;当管间距为lm时，平均每根外层管的日取热量高出内层管3.ZMJ;所以，在热量不足的情况下，可优先采取增加外层管的数量来进行取热。

【引证文献】