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水—热耦合作用下地埋管换热特性研究

作　者: 刘东林
导　师: 周训
学　校: 中国地质大学（北京）
专　业: 地下水科学与工程
关键词: 土壤源热泵 地埋管换热器 地下水渗流 水-热耦合 地温能
分类号: TU831
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 95次
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内容摘要


土壤源源热泵作是一种环保、节能、高效的地温空调技术,同时还具有噪音低,耐久可靠,舒适度高的优点。可以广泛应用于公共建筑、商业楼宇、住宅公寓、医院、学校等建筑物。土壤源热泵技术为我国的可持续发展、甚至为解决环境污染和能源危机这两个全球性的难题带来了契机。地埋管换热器的准确设计是能确保整个地源热泵系统高效、稳定运行的关键。地埋管与周围土壤的换热研究是一个涉及暖通与水文地质相结合的问题。一方面,土壤的热物性是影响地埋管换热的重要因素;另一方面,地下水的渗流也应该是地埋管换热器设计不能忽略的因素,而现有的数学计算模型都很少考虑地下水渗流的影响,从而使地埋管换热器的换热量设计比实际偏大,增加了整个热泵系统的初投资。本文首先阐述了地源热泵国内外研究现状,对现有的传热模型进行了总结,并将土壤视为多孔介质,用数学公式推导了在渗流条件下水-热耦合的传热过程。论文采用软件Comsol3.5a进行数值模拟计算,建立了单U管的物理模型,模拟计算土壤导热系数λ=1.5、3、4.5,孔隙度Φ=0.1、0.3、0.6及不同地下水流速对土壤温度分布产生的影响,并提出根据Pe数值的大小作为是否考虑对流换热的标准,由单U管模拟结果得出埋管间距为2.4 m就能避免热干扰现象。根据单U管模拟结果建立交叉状的埋管群物理模型,在渗流速度ν=1e-6 m/s下进行模拟计算,得出交叉状排列方式不产生热干扰现象,优于矩阵排列方式。本文在达西定律的基础上搭建室内换热砂箱,用9根铜管为换热U型管以矩形均匀排列,模拟地埋管与砂之间换热。分别进行68小时U型管在干砂、饱和及渗流条件下的换热实验,实验结果表明:在渗流条件下U型管产生的换热温差为5℃,明显大于饱和砂条件下产生的换热温差3℃及干砂1℃。并且通过实验发现在渗流条件下,上游U型管对下游产生热干扰现象。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章 绪论  9-19
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 空调热泵的分类  10-14
  1.3 地埋管式地源热泵的国内外发展现状  14-17
    1.3.1 国外发展现状  14-15
    1.3.2 国内发展现状  15-17
  1.4 本文研究的主要内容  17-19
第2章 地埋管换热器传热过程数学模型  19-36
  2.1 导热型地埋管换热器传热分析方法  19-32
    2.1.1 NWWA 模型（Hart 和Couvillion）——线源解析法  19-21
    2.1.2 IGSHAP 模型——线源解析法  21-24
    2.1.3 Kavanaugh 模型——柱源解析法  24-28
    2.1.4 Eskilson 模型——线源混合解法  28-32
  2.2 考虑地下水流动地埋管传热过程数学分析  32-35
    2.2.1 考虑渗流传热过程分析  33-34
    2.2.2 移动线热源模型  34-35
  2.3 本章小结  35-36
第3章 地埋管换热器传热模拟计算  36-48
  3.1 单管模拟  37-43
    3.1.1 土壤导热系数λ对换热影响  38-40
    3.1.2 土壤孔隙度的影响  40-41
    3.1.3 渗流速度的影响  41-43
  3.2 地埋管群优化布置  43-47
    3.2.1 埋管群模型建立及模拟结果分析  43-45
      3.2.1.1 埋管群模型建立  43-44
      3.2.1.2 模拟结果分析  44-45
    3.2.2 埋管群优化布置  45-47
      3.2.2.1 埋管群交叉状排列  45-46
      3.2.2.2 模拟结果分析  46-47
  3.3 本章小结  47-48
第4章 室内换热实验  48-66
  4.1 实验的目的  48
  4.2 实验的理论基础  48-50
  4.3.实验装置与观测系统  50-55
    4.3.1 实验装置  50-52
    4.3.2 观测系统  52-55
  4.4.实验结果与分析  55-66
    4.4.1 干砂换热实验  55-57
    4.4.2 饱和砂换热实验  57-60
    4.4.3 渗流条件的换热试验  60-66
      4.4.3.1 渗流速度计算方法  60-62
      4.4.3.2 实验结果分析  62-66
第5章 结论与展望  66-68
  5.1 结论  66-67
  5.2 展望  67-68
致谢  68-69
参考文献  69-73
个人简历  73

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 房屋建筑设备 > 空气调节、采暖、通风及其设备 > 空气调节
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