豎直雙螺旋地埋管換熱器的傳熱研究.pdf

1、地源熱泵系統(tǒng)作為建筑領域對能源高效利用的重要形式，是一種消耗少量電能將土壤中的低品質能量轉化為高品質能量的技術。由于地熱能為清潔、廉價的可再生能源，在能源危機日趨嚴重的今天，土壤源熱泵作為一種節(jié)能環(huán)保的“綠色空調”，受到了國內外專家的一致推崇。
　　地埋管換熱器作為地源熱泵最重要的組成部分之一，其換熱性能對地源熱泵整體運行效率有著重要的影響。提高埋管換熱器的換熱效率，節(jié)約占地，并降低鉆井、埋管的初投資一直是人們研究的重點之一。本文

2、根據(jù)目前在水平埋管或建筑物地基樁埋管中采用單螺旋管增加換熱面積的思路，設想在豎直埋管中采用雙螺旋管，這樣在同在同樣埋深的情況下，雙螺旋管更長，換熱面積更大，因而總換熱量也更大。反之，在換熱面積一定的條件下，采用雙螺旋管則可以減少鉆井深度，節(jié)省初投資。因此，本文研究了豎直埋管中雙螺旋管換熱器的換熱特性。主要研究內容如下：
　　1、首先利用西南交通大學的地源熱泵換熱實驗臺進行不同工況的U型管模擬實驗，然后再借助FLUENT軟件對相同運

3、行工況下地埋管與周圍土壤的換熱情況進行數(shù)值模擬，其結果經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)驗證后，得出合理的邊界條件；
　　2、按此邊界條件，重新對豎直雙螺旋管系統(tǒng)進行建模，進而模擬豎直雙螺旋管換熱器的換熱情況，得到了不同管間距、不同螺距，不同進口流速、不同進口溫度等參數(shù)對換熱的影響規(guī)律；
　　3、分別比較了U型管、單螺旋管及雙螺旋管；不同螺距、不同管間距的雙螺旋管；以及單螺旋管和雙螺旋管在溫度分布、換熱效率、換熱量等方面的優(yōu)劣以及對熱短路的影響。

4、
　　主要研究結論如下：
　　1、同樣鉆孔深度時螺旋管換熱器的換熱性能優(yōu)于單U型管。與U型管的管長3.15m相比，500mm螺距的雙螺旋管、250mm螺距的雙螺旋管的管長分別增加到3.34m與3.47m，增幅為5％與10％。在運行時間，進口溫度及進口速度等參數(shù)相同的情況下，總換熱量分別增長接近5％與10％。
　　2、螺旋管換熱器適當減小螺距后的換熱性能優(yōu)于大螺距螺旋管。因為適當減小螺距可以增加埋管換熱器的管長及管內流體

5、與壁面的對流換熱系數(shù)，從而提高整體的換熱效率。500mm螺距的雙螺旋管與250mm螺距的雙螺旋管相比，管長從3.334m增加到3.471m，相應的各個工況的總換熱量也提高了約6％。
　　3、在文中所模擬的工況下，管間距越大的雙螺旋管埋管換熱器的換熱性能越好。文中建立了管間距100mm、螺距500mm的雙螺旋管和管間距150mm、螺距500mm的雙螺旋管兩種模型，并模擬其在各個工況下的運行情況。從其得出的數(shù)據(jù)可以看出，隨著管距的增大

6、，進、回水管之間的熱短路效應相應減弱，體現(xiàn)在換熱量上，各個工況的換熱量總體提高約4％。
　　4、單螺旋管和U型管的鋪設方式基本相同，唯一的區(qū)別就是出水管走向：單螺旋管的出水管是從中軸線穿出。U型管中管長為3.16m，而單螺旋管管長增加到3.34m，管間距從100mm減少到50mm。體現(xiàn)在換熱量上，各個工況下U型管的換熱量都要高于單螺旋管換熱量約3％到4％。在此情況下，即使管長增加，但是由于熱短路對整體換熱量的影響較為嚴重，造成整體

7、換熱量下降。
　　5、單螺旋管的敷設方式導致在有限的管井內，管間距的最大距離只能為管井的半徑。與雙螺旋管相比，即使螺距與換熱管長相同，同為500mm螺距，管長分別為3.14m與3.33m，但是由于單螺旋管的管間距50mm僅有雙螺旋管管間距100mm的一半，在換熱過程中熱橋效應嚴重，在各個工況下，單螺旋管的總換熱量僅為同螺距下雙螺旋管換熱量的80％左右。
　　6、增大管間距和適當減小雙螺旋管的螺距，都有利于強化換熱。但在長期換