土壤源熱泵系統(tǒng)中豎直U型埋管換熱器強化傳熱研究.pdf

1、高效利用可再生清潔的地熱能、提高人居環(huán)境的舒適度并實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保是本課題研究的主要目的。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)受環(huán)境溫度影響大、能效較低;水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)存在回灌難、污染地下水等問題;土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在供暖、制冷、供熱水等方面具有運行穩(wěn)定、效果良好等優(yōu)點,在國外己廣泛應(yīng)用。但國內(nèi)的研究與應(yīng)用起步較晚,解決地埋管換熱器與土壤間的強化傳熱、系統(tǒng)初投資較高等問題是推動其發(fā)展的關(guān)鍵。
　　 本文以豎直U型埋管換熱器為研究對象,采用數(shù)值模擬方法對

2、影響地埋管換熱效率的各種因素進行深入研究,在以下幾個方面開展了創(chuàng)新性工作:
　　 (1)基于實際應(yīng)用的地埋管換熱器建立單、雙U型埋管三維模型,用單井換熱量和U型埋管換熱器效率來綜合分析影響換熱的主要因素,結(jié)果表明,井深、流體速度、回填材料導熱系數(shù)及支管中心距對換熱的影響較為明顯,而U型管管徑及管材對換熱基本無影響。
　　 (2)通過模擬分析地埋管換熱器的傳熱過程發(fā)現(xiàn),當井深小于150m時,增加井深使換熱器的總換熱量增大,

3、但當井深大于250m時,由于支管間熱短路現(xiàn)象加劇,隨著井深的增加總換熱量趨于平緩,且鉆井費用提高,因此最佳井深范圍可取150m～250m;提高U型管內(nèi)流體的流速,使總換熱量與U型埋管換熱器效率增加,當流速超過0.8m/s時兩者的增加速率都已很低,而同時U型管進出口壓降卻迅速增大,因此,推薦U型管內(nèi)經(jīng)濟流速范圍為0.4m/s～0.8m/s。
　　 (3)將雙U型埋管并聯(lián)與串聯(lián)兩種方式進行對比發(fā)現(xiàn),在最佳井深與流速范圍內(nèi),并聯(lián)的換熱

4、量比串聯(lián)提高40％左右,采用雙U型管時建議選取并聯(lián)連接方式。將相同條件下的單、雙U型埋管換熱器熱短路情況進行對比,發(fā)現(xiàn)雙U型管的熱短路情況較單U型管嚴重。為此采用在進出水管間增設(shè)隔熱板或在出水管敷設(shè)保溫層的方法來減小熱短路,結(jié)果表明,后者的效果優(yōu)于前者,在最佳參數(shù)范圍內(nèi)使換熱量提高8%以上,并且敷設(shè)保溫層的方法更易實施。并在此基礎(chǔ)上對回填材料導熱系數(shù)進行研究,得出無保溫層時,回填材料取與土壤導熱系數(shù)接近的較為合適;有保溫層時,回填材料導

5、熱系數(shù)取25～30W/m·K,此時的換熱量較無保溫層時的最大換熱量提高20%～40%。
　　 (4)為降低系統(tǒng)的初投資,在原有模型的基礎(chǔ)上,分析了多U型埋管換熱器,并對其在鉆井中的布置方式進行優(yōu)化。研究結(jié)果表明,每口鉆井中的U型管數(shù)量取三組為最佳,并提出將三U型埋管出水管束捆扎在一起并將管束外敷保溫層的新型組合結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)更加緊湊,施工更加方便,在最佳井深與流速范圍內(nèi),總傳熱量比單U型埋管換熱器增加30%以上,適當提高回填材料的