竖直U型地埋管换热器传热与土壤温度场的数值模拟研究

论文摘要

土壤源热泵是一种节能、环保、高效利用可再生能源的“绿色”空调新技术,在我国建筑空调和生活热水系统中发挥着越来越重要的作用。竖直U型地埋管换热器由于其占地面积少、适用范围广、换热效率高、性能稳定等优势,目前已成为应用最广泛的一种埋管形式。本文首先针对以珠三角地区为代表的华南地区的气候和土壤条件,建立了土壤源热泵热水系统,并在该系统基础上搭建了实验平台,并在连续、间歇运行工况下,通过测量U型地埋管换热器管内循环液的进出口温度及周围土壤温度变化,对土壤源热泵的运行特性及U型地埋管换热器的换热性能进行了实验研究,并根据搭建的实验平台利用FLUENT软件建立了竖直单U型地埋管换热器三维非稳态传热模型进行传热分析。主要研究结果如下：利用建立的三维传热模型模拟了土壤源热泵在连续运行48小时工况下的U型地埋管换热器的出口温度、单位井深换热量进行了数值模拟。结果发现：出口温度的模拟值与实测值的最大相对误差为13.3%(偏差为2.5℃),而平均相对误差为4.82%,这在工程允许的范围内,验证了模型的正确性,同时还对模拟得到的土壤温度场分布进行了对比分析。利用上述模型对土壤源热泵采用启停比为14：10(连续运行14小时,停机10小时)的间歇运行工况下进行了数值模拟。结果显示：U型地埋管换热器出口温度的模拟值与实测值的偏差随时间的推移而逐渐减小,说明该模型的计算精度随时间的增加而逐渐提高。运用建立的三维传热模型,研究了不同管内循环液进口流速、进口温度、不同回填材料及不同管材对土壤温度场及U型地埋管换热器换热性能的影响。研究结果对土壤源热泵的运行和设计参数的选择具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号表
• 目录
• CONTENTS
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 地源热泵在建筑节能中的应用
• 1.1.2 在华南地区开展地源热泵研究的意义
• 1.2 地源热泵概述
• 1.2.1 地源热泵的工作原理
• 1.2.2 地源热泵的分类
• 1.3 土壤源热泵的特点
• 1.4 地埋管换热器数值模拟的发展与研究现状
• 1.4.1 国外现状
• 1.4.2 国内现状
• 1.5 存在的问题
• 1.6 本课题研究的内容
• 第2章 研究方法、实验条件及实验方法
• 2.1 研究路线
• 2.2 数值模拟平台介绍
• 2.2.1 CFD简介
• 2.2.2 FLUENT简介
• 2.3 实验平台及实验方法介绍
• 2.3.1 地层结构及土壤条件
• 2.3.2 地埋管换热器系统
• 2.3.3 实验平台简介
• 2.3.4 实验测试仪器
• 2.3.5 实验内容与实验方法
• 2.3.6 数据处理方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 竖直U型地埋管换热器三维传热模型的建立
• 3.1 土壤的温度特性与大地的原始温度分布
• 3.1.1 土壤的温度特性
• 3.1.2 土壤原始温度分布
• 3.2 竖直U型地埋管换热器的传热分析
• 3.3 竖直U型地埋管换热器三维传热模型假设
• 3.4 采用GAMBIT软件建立竖直U型地埋管换热器三维几何模型
• 3.4.1 三维几何模型的建模
• 3.4.2 三维几何模型的网格划分
• 3.4.3 边界条件的定义
• 3.4.4 求解条件的设定
• 3.5 本章小结
• 第4章 竖直U型地埋管换热器三维传热数值模拟
• 4.1 连续运行工况下U型地埋管内循环液传热数值模拟
• 4.1.1 计算说明
• 4.1.2 管内循环液温度随时间的变化
• 4.1.3 U型管内循环液热流量随时间的变化
• 4.1.4 土壤温度场的模拟结果分析
• 4.2 间歇运行工况下U型地埋管内循环液传热数值模拟分析
• 4.2.1 计算说明
• 4.2.2 管内循环液温度随时间的变化
• 4.2.3 管内循环液热流量随时间的变化
• 4.2.4 土壤温度场的模拟结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 不同因素对U型地埋管换热器传热的影响
• 5.1 计算说明
• 5.2 数值模拟结果及影响因素分析
• 5.2.1 管内循环液进口流速的影响
• 5.2.2 管内循环液进口温度的影响
• 5.2.3 竖直钻井内回填材料物性的影响
• 5.2.4 地埋管管材的影响
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢