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渗流条件下地埋管换热器传热影响因素及优化设计研究

作　者: 刘虎
导　师: 邢述彦
学　校: 太原理工大学
专　业: 水利工程
关键词: 土壤源热泵地埋管换热器地下水渗流热渗耦合 COMSOL Multiphysics 优化设计
分类号: TU83
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着全球能源危机的加剧,世界的能源战略也由替代能源战略向建立环境无害、循环清洁的可再生能源战略转变,发展“低碳经济”、“可再生能源”成为世界各国实现社会经济可持续发展必由之路。利用浅层地温能的土壤源热泵系统因其良好的稳定性、环保性成为世界各国政府和行业协会推荐使用的热泵类型,其应用规模逐年增加。据统计2010年地源热泵的年利用能量达到了214782万亿焦耳,比2005年增长了2.45倍,平均年增长率达19.7%。我国土壤源热泵系统的应用在政府的大力支持下,发展迅速并成为当前研究的热门课题之一。目前,国内外科技工作者对土壤源热泵系统的研究大多集中在提高地埋管换热器换热效率的问题上,主要通过完善地埋管换热器的传热模型,合理确定地埋管换热器的最佳尺寸、埋管方式和运行模式来提高地埋管换热器的换热性能。鉴于此,本文以多孔介质的流动与传热理论为基础,对地下水渗流对地埋管换热性能的影响进行了研究,建立了包含渗流的热渗耦合传热模型,并进行了模拟计算,分析了地下水渗流对地埋管换热器周围土壤温度场的影响,以及密度、导热系数、比热容、孔隙率等土壤物性参数对温度场的影响。结果表明,有渗流时地埋管周围温度的分布与无渗流时有较大区别,其温度场不再呈圆形对称分布,发生了顺渗流方向的偏移；地下水渗流速度越大,偏移量越大,沿渗流方向的土壤热影响区域也越大。当渗流速度从1e-6m/s增至5e-6m/s时,热影响区域由1m增大到1.8m。渗流增强了土壤中的对流换热,有渗流时的换热量明显大于无渗流时的换热量。土壤物性参数对温度场的影响为：密度较大的土壤热扩散能力较小,不利于热量传递,易形成热堆积现象；当密度从1200kg/m3增至2400kg/m3时,对应的热影响区域由1.8m减少为1.6m。导热系数大的土壤热扩散能力较大,利于地埋管换热器周围热量的扩散；当导热系数从0.9W/m-k增至3.6W/m-k时,对应的热影响区域由1.5m增大为1.7m。比热容较大的土壤热扩散能力较小,不利于热量的传递,易形成热堆积现象；当比热容从1200J/kg·k增至2400J/kg·k时,对应的热影响区域由1.6m减少为1.2m。孔隙率较大的土壤其热影响区域较小,当孔隙率由0.1变化为0.4时,对应的热影响区域由1.7m减少为1.6m。运用热渗耦合传热模型和COMSOL Multiphysics软件,对西贾苑小区土壤源热泵系统中地埋管换热器的布设进行了优化设计。通过分析项目区气象水文、地质和水文地质条件等因素,进行现场热响应测试以及模拟计算与分析比较不同埋管间距和排列方式可能造成的冷热堆积、影响范围和管群占地面积,确定最佳设计方案为：埋管孔深为120m,埋管钻孔数为580口,埋管类型为单U型管,管材为高密度聚乙烯,埋管管径为32mm,埋管间距为4m,埋管排列方式为顺序排列。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-23
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 土壤源热泵概述  11-14
    1.2.1 土壤源热泵的工作原理  11-12
    1.2.2 土壤源热泵的分类  12-13
    1.2.3 土壤源热泵的特点  13-14
  1.3 国内外研究现状  14-21
    1.3.1 模型研究  16-18
    1.3.2 实验研究  18-19
    1.3.3 热响应测试研究  19-21
  1.4 本文主要研究内容  21-23
第二章多孔介质中传热与流动理论  23-34
  2.1 多孔介质物性参数  23-27
    2.1.1 多孔介质基本特性参数  24-25
    2.1.2 多孔介质热特性参数  25-27
  2.2 多孔介质中传热与流动控制方程  27-32
    2.2.1 体积平均法  27-28
    2.2.2 连续方程  28
    2.2.3 运动方程  28-30
    2.2.4 能量方程  30-32
  2.3 多孔介质中传热与流动模拟软件  32-34
第三章地埋管换热器传热模型及影响因素分析  34-51
  3.1 传热模型建立  34-36
  3.2 模型网络划分  36-37
  3.3 边界条件确定  37
  3.4 地下水渗流影响分析  37-42
    3.4.1 有无渗流的影响  38-41
    3.4.2 渗流速度的影响  41-42
  3.5 土壤物性参数影响分析  42-49
    3.5.1 密度的影响  43-44
    3.5.2 导热系数的影响  44-46
    3.5.3 比热容的影响  46-48
    3.5.4 孔隙率的影响  48-49
  3.6 小结  49-51
第四章地埋管换热器优化设计研究  51-72
  4.1 项目概况  51-55
    4.1.1 建筑工程  51
    4.1.2 水文气象  51-52
    4.1.3 地形地貌  52
    4.1.4 地层岩性与地质构造  52-54
    4.1.5 水文地质条件  54-55
  4.2 热响应测试  55-58
    4.2.1 测试原理及方案  55-56
    4.2.2 测试数据分析  56-58
    4.2.3 测试结果  58
  4.3 地埋管换热器优化设计研究  58-71
    4.3.1 埋管热影响半径分析  59-60
    4.3.2 埋管间距优化设计  60-64
    4.3.3 埋管排列方式优化设计  64-70
    4.3.4 地埋管换热器布设方案  70-71
  4.4 小结  71-72
第五章结论与展望  72-75
  5.1 结论  72-73
  5.2 展望  73-75
参考文献  75-81
致谢  81-82
攻读学位期间发表的学术论文目录  82

渗流条件下地埋管换热器传热影响因素及优化设计研究

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