地源热泵地埋管换热器传热研究综述 袁艳平资料

1、暖通空调 VH 忽略深度方 向 包括地表 的传热 只考虑径向导热 忽略钻孔的几何尺度而把它近似 为轴心上的线热源 岩土中各处的温度分布按下式计算 义 比线热源具有更高的模拟精度 因而得 到了更 为广泛的应用 n Ig es r o l l等人给出了恒定热流情况下的圆柱 源分析解 3 尔 tw 一 tg 旦G O F P Lk 2 t 一0 t 兰L 2 二 J 2以 子 二万叩 尸 I 众 X 式中汉 为无限远边界土壤温度与埋管井壁温 度之差 t 为无限远边界土壤温度 t 为埋 管井壁温度 Q为地埋管换热器换热量 W L 为地埋管深度 m G o F P 为理论解的G 函数 式中 t 为土层实时温度 t 为土层初始温 度 q 为线热源的热流 w m 久 为土层的导热 系数 w m K 月为积分变量 x 一丁 于 二 其中 一 一 厂 一一 一 2 石丽 r 为土层离线热源的距离 m 口 为土层的热扩散 率 m s r 为运行时间 s 研究表明 第 3个假设在时间很短时 5魂 a 为钻孔半径 m 大多数情况为数小时 是不 成立的 线热源理论仅对真实的线 热源才会有精 确的理论解 而对于有

2、一定热容量的地埋管换热 器 其解有较大的误差 尤其不能直接模拟换热器 短时间内的换热 1 2 圆柱源理论 1 2 1 常热流圆柱源理论 圆柱源理论将线热源推广到具有一个恒定半 径的圆柱热源 得到的分析解具有清晰的物理意 G 凡 P 劣了 7 t U f 户中 可以用数值解近似代替 o F 为 F 盯i er 数 p为地下岩土计算点至钻井中心 距离与钻井半径的比值 k 为岩土平均导热系数 W m K 1 2 2 变热流圆柱源理论 在实际运行中 地埋管换热器的取 放 热量随 运行工况的变化而变化 而式 2 是基于常热流边 界条件的 因此必须对其进行改进 e Bm ie r 利用 阶跃热流来处理变热流问题 把任何随时间变化的 负荷看成是若干个分段线阶跃热流对孔洞产生的 热作用的叠加山 由此 温度场的解就可以视 为 一系列不同时刻具有不同热流的阶跃负荷在无限 大介质中产生的温度响应 根据叠加原理 时刻远边界土壤温度与埋 管井壁温度的差值的计算式为 t 一 众客 黔 o G F i t一 一 卜 o G F 一 3 式 中 1簇i簇 n 1成声 簇i q表示j时刻地埋管换 热器换热量 乙 时刻的

3、温度不但受该 时刻热流的影响 同 时还受该时 刻之前各时刻热流的影响 研究结 果表明 计算时刻的热流对该 时刻温度 的影响起 主要作用 而此前各 时刻的影响相 对较小 离开 始计算时刻越久 其影响越小 因此 要想获得 某时刻的温差值和热流值 必须逐一计算此 前各 时刻的温差值和热流值 计算一年或 更长时间的 换热器运行 特性 时 计算难 度很 大 因此 Yv au zu tk r 等人 引人了 负荷 累积 概念 用于处 理历史热流对目前时刻温度场的影响 5 由于 近期热流的影响远大于早期热流的影响 在模拟 的过程中 从瑞时刻进行逐项叠加 而对于 时 刻以前的热流的影响用平均热流值 q 来代 替 不再进行逐项的叠加 q 称为负荷累积 而 至 这段时 间称为热影响主导期 该时间 段需要叠加的项数用 A 表示 引人负荷累积概念后 几 时刻远边界土壤温度 与埋管井壁温度差值的计算式为 t t 一 tw A 一 剥 q一 o G F 一 0 t 一 o G F 一 卜 习 G仁o F 一 一G仁 o F 君 一 4 暖通空调 HV 通过对能 量平衡方程式的分析与推导 获得了描述 U 形管 换热器

4、中流体温度沿深度变化的关系式 通过积分 变换的方法求得 了承压含水层的解析解 采用准三 维模型对对称布置的双 U 形地埋管换热器的传热 情况进行了分析研究l 0 一川 2 数值解 与分析解相比 虽然数值解不能清晰地表达物 理意义 直观反映各因素的影响 但它能借助数值 方法对更复杂的地埋管换热器传热模型进行求解 因此国 内外不少学者对地埋管换热器传热过程进 行了数值模拟 从文献检索的情况来看 影响数值 计算准确性的是建模过程中采用的简化 因此在综 述 的过程中 尽量转述文献所采用的各种假设 并 在本节的最后进行总结 任晓红等人利用有限差分法对单 U 形地埋管 换热器进行了数值模拟田 李新国等人采用专业 多孔介质计算软件 Au t oug h Z对换热器周围土壤 温度进行了模拟计算s z 唐志伟等人利用有限容 积法对单 U 形地埋管换热器的温度场和流场进行 了数值模拟 在深度方 向上每隔一定距离的平面内 祸合求解管 内流体与土壤间的传热 实现两个区域 间传热的祸合 从而构 建准三维传热模型 291 在 模拟的过程中 不考虑 U 形管底部弯管的影响 认 为进水支管与出水支管都是有限长直管 两

5、支管底 部的流体温度相同 速度方 向相反 吴玉庭等人数 值模拟了冬 夏工况下不同 U 形管内流速 进 口水 温和埋管深度对单位井深热流量的稳态影响L 3川 高青等人数值研究了地源热泵地能利用中地下群 井多源换热及其运行模式的影响规律 杨卫波 等人以钻孔壁为界将 U 形地埋管的换热区域划分 为钻孔 内 外壁两部分 并分别采用稳态与非稳态 传热来分析求解 32 De e r m a n 等人利用圆柱源理 论对 U 形地埋管换热器传热过程进行了数值模 拟 并和实验结果进行了对比 提出了利用连续测 量数据估计土壤有效导热 系数的方法 L3 L e i通 过建立双圆柱坐标系将三维非稳态传热问题简化 为两维非稳态传热问题 对竖直地埋管的温度场进 行了数值模拟咖 Ro t tm a y e r 等人将地埋管换热 器的传热简化为三维非稳态导热问题 利用有限差 分法进行了数值求解饰 Yv au zu tk r 等人忽 略地 表面和管脚的末端效应 将换热器传热过程简化为 二维传热 并利用有限容积法对二维地埋管温度场 进行了计算 地埋管管壁边界条件简化为恒热流边 界条件 将左侧热流定义为总热流的 4 0 右

6、侧热 流定义为总热流 的6 0 6 i B等人采用非均匀 网格 利用有限差分法对地埋管换热器进行了模拟 计算 36 K atsun or iN agan o 等人将埋管换热器传 热过程简化为非稳态导热问题 并以边界元数值方 法编制了地源热泵模拟软件 该项研究成果的特别 之处在于可以对地源热泵的寿命周期 C 产生量 进行计算 由于 U 形竖直地埋管换热器几何形状以及管 内流体和土壤藕合传热的复杂性 对其建立能精确 模拟所有实际情况的模型并求解 以现有的计算技 术来说几乎是不可能 的 也是不必要的 因此所有 的数值模拟都要作一定的简化 表 1为所综述文 章的假设条件汇总 不过 从检索得到的文献来 看 未见有各种简化给地埋管换热器管内流场及管 外温度场模拟计算造成误差的相关研究 3 实验研究 实验研究也是研究地源热泵的重要手段之一 王勇等人对套管式换热器和U形地埋管进行了对 28 科技综述暖通空调 HV 竖直单 U 形管支管间的热 大 3 9 用微珠玻璃球模拟井下换热 器周 围对流型量回流还与回填材料的导热系数有关 当管间距一 地层是可行的 而且换热器周围土壤介质中存在 自定时 导热系数大的

7、回填材料有利于减少支管间的 然对流方式 高青等人对芯管束强化旋流新型地热量回流4 8 但该研究工作并没有计算出热量回 下换热系统进行了系统研究 实验表明 该地下换流量 只是根据出口流体温度来反推热流回流量 热管束较原来使用的 U 形管换热能力提高 1倍以 而且也没有考虑管间距和换热器 的作用半径增大 上 0 高青等人的实验表明 合理的间歇过程控带来的影响 范蕊等人分析了有地下水渗流情况 制和间歇时间调整可以改良地温变化趋势 更大程下的土壤蓄冷与土壤祸合热泵集成系统中竖直地 度地提高换热井的换热能力4 l 李新国等人分别埋管换热器 的管间距问题 结果表明对于夏季蓄 对用砂石回填的单U形和双 U形井埋管进行了夏 冷 释冷的运行方式 较小的管间距有利于盘管蓄 季排热和冬季取热实验 研究发现 在排热工况和存高品质冷量 从而更加有利于空调运行 而对于 取热工况下 单 U 形埋管单位管长换热量均高于冬季工 况 较小 的管 间距不利于 土壤温度 的恢 双 U 形呻 赵军等人对夏季排热工况下竖直井复4 0 M 盯a y a 等人建立了非稳 态导热有限元模 埋换热器与地基桩单 U 形地埋管换热器进行了对

8、 型 分析了埋管间距 土壤温度 回填土特性以及管 比实验 结果表明 桩埋管换热器单位埋深换热量脚温度对热回流的影响s 0 口 杨卫波等人的研究表 比井埋管要大1 6 桩埋管换热器的热作用半径明 管脚间距的增加有利于增大单位埋管长度吸热 要大于井埋管换热器的热作用半径帅 薛玉伟等量 这主要是因为管脚间距的加大有助于减小两管 人的实验结果表明 排热和取热工况下 双 U 形埋脚间热短路的影响l 5 但考虑到盲目增大管脚间 管单位井深换热量均高于单 U 形田 赵军等人距会因孔径加大而增加钻孔费用及回填物的量 同 对 U 形地埋管换热器进行了长期的性能实验研时间距加大所换来的地埋管吸热量增加 幅度也较 究 结果表明 由于冬 夏负荷不平衡 夏季工况很小 可能会出现换热性能恶化现象嘟 赵军等人在地 4 2 地下水的影响 埋管换热器圆柱热源模型的基础上 采用参数估计湿土壤含水对地埋管换热器换热的影响 一方 法建立了一套适用 于现场 确定土壤热物性 的方面是湿度本身的静态影响 另一方面是含湿量梯度 法嘟 H即h a i s l等人对竖直地埋管换热器 的制热造成的渗透或流动影响 土壤分干土壤 非饱和 土

9、工况进行了实验研究 4 壤 饱和湿土壤以及过饱和湿土壤 地下土壤湿度 4 地源热泵地埋管换热器的传热影响因紊使传热问题从简单的导热问题变成既有对流又含 4 1 地埋管之间的热干扰有热湿扩散的复杂传热问题啤 对于竖直U形地埋管换热器 其钻孔孔 径通 Eskils on 在 Ca r slaw 等人 的研究 5 3 基础上 常为 11 0一13 0mm 在这样一个狭小的空间内 温讨论了稳定状态下地下水对地埋管换热器换热的 暖通空调 HV q 为线热源热流强度 U一u w P cw 群 表示介质当量移动速度 其中 为整个区间 的渗流速度 假设均匀且仅沿 x 方 向 脚 cw 为水 的体积比热容 群为多孔介质 包括水 总 的体积 比热容 为介质离线热源的距离 为综合参数 式 5 可以在一定程度上揭示传热过程中各影 响因素的定量关系 有助于从本质上把握这一复杂 的物理过程 同时该式也便于计算 不过 该式是 基于单孔地埋管换热器的 还不能应用于地埋管群 换热器 F a n 等人建立了类似n a o等人建立的控制方 程卧 一测 不同的是 F an 等人考虑到了系统夏季蓄 冷 释冷运行过程中存在的固液

10、相变问题 并采用 固相增量法进行了处理 同时假定计算区域内渗流 速度均匀 且仅沿 x 方向 研究结果表明 对于夏 季蓄冷 释冷的运行 方式 地下水流动增加了系统 冷损失 对蓄冷不利 而对于冬季工况 渗流增强了 换热器周围土壤的温度恢复能力 有利于地埋管吸 热 所以传统的地埋管热泵系统宜埋在有渗流的土 壤 中 而土壤蓄冷与土壤祸合热泵系统主要适用 于空调负荷为主 供暖负荷为辅的地区 因此适用 于地下水流速较小或无渗流的土壤 L eon ga 等人利用 H G HEA D S程序对5 种不 同饱和度土壤 中的 3种地埋管换热器一年 的运行 特性进行了数值模拟呻 结果 表明 饱和度小于 1 2 5 时 土壤含水量的变化会引起地源热泵性能 的大幅度变化 而在2 5 之上 热泵 的性能较好 在5 0 之上时 含水量 的变化对热泵性能的影 响 不大 4 3 回填材料的影响 回填材料的导热系数是决定地埋管换热器换 热效果和系统效率的主要因素 李新 国等人对采 1 一 eXP V黔 d IUa s 5 2 一 a s r 用不同回填材料的 U形桩埋管和U形井埋管分别 进行了取热和排热工况的实验研究 结

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