滲流條件下地埋管換熱器傳熱影響因素及優(yōu)化設計研究.pdf

1、隨著全球能源危機的加劇，世界的能源戰(zhàn)略也由替代能源戰(zhàn)略向建立環(huán)境無害、循環(huán)清潔的可再生能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，發(fā)展“低碳經(jīng)濟”、“可再生能源”成為世界各國實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展必由之路。利用淺層地溫能的土壤源熱泵系統(tǒng)因其良好的穩(wěn)定性、環(huán)保性成為世界各國政府和行業(yè)協(xié)會推薦使用的熱泵類型，其應用規(guī)模逐年增加。據(jù)統(tǒng)計2010年地源熱泵的年利用能量達到了214782萬億焦耳，比2005年增長了2.45倍，平均年增長率達19.7％。我國土壤源熱泵系統(tǒng)的應用

2、在政府的大力支持下，發(fā)展迅速并成為當前研究的熱門課題之一。目前，國內(nèi)外科技工作者對土壤源熱泵系統(tǒng)的研究大多集中在提高地埋管換熱器換熱效率的問題上，主要通過完善地埋管換熱器的傳熱模型，合理確定地埋管換熱器的最佳尺寸、埋管方式和運行模式來提高地埋管換熱器的換熱性能。
　　 鑒于此，本文以多孔介質(zhì)的流動與傳熱理論為基礎，對地下水滲流對地埋管換熱性能的影響進行了研究，建立了包含滲流的熱滲耦合傳熱模型，并進行了模擬計算，分析了地下水滲流對

3、地埋管換熱器周圍土壤溫度場的影響，以及密度、導熱系數(shù)、比熱容、孔隙率等土壤物性參數(shù)對溫度場的影響。結(jié)果表明，有滲流時地埋管周圍溫度的分布與無滲流時有較大區(qū)別，其溫度場不再呈圓形對稱分布，發(fā)生了順滲流方向的偏移;地下水滲流速度越大，偏移量越大，沿滲流方向的土壤熱影響區(qū)域也越大。當滲流速度從1e-6m/s增至5e-6m/s時，熱影響區(qū)域由1m增大到1.8m。滲流增強了土壤中的對流換熱，有滲流時的換熱量明顯大于無滲流時的換熱量。土壤物性參數(shù)對

4、溫度場的影響為:密度較大的土壤熱擴散能力較小，不利于熱量傳遞，易形成熱堆積現(xiàn)象;當密度從1200kg/m3增至2400kg/m3時，對應的熱影響區(qū)域由1.8m減少為1.6m。導熱系數(shù)大的土壤熱擴散能力較大，利于地埋管換熱器周圍熱量的擴散;當導熱系數(shù)從0.9W/m·k增至3.6W/m·k時，對應的熱影響區(qū)域由1.5m增大為1.7m。比熱容較大的土壤熱擴散能力較小，不利于熱量的傳遞，易形成熱堆積現(xiàn)象;當比熱容從1200J/kg·k增至240

5、0J/kg·k時，對應的熱影響區(qū)域由1.6m減少為1.2m?？紫堵瘦^大的土壤其熱影響區(qū)域較小，當孔隙率由0.1變化為0.4時，對應的熱影響區(qū)域由1.7m減少為1.6m。
　　 運用熱滲耦合傳熱模型和COMSOL Multiphysics軟件，對西賈苑小區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)中地埋管換熱器的布設進行了優(yōu)化設計。通過分析項目區(qū)氣象水文、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等因素，進行現(xiàn)場熱響應測試以及模擬計算與分析比較不同埋管間距和排列方式可能造成的冷熱堆