基于层换热理论的竖埋管地下换热器设计方法VIP专享VIP免费

http://www.paper.edu.cn-1-基于层换热理论的竖埋管地下换热器设计方法王勇，刘方，付祥钊重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆(400045)E-mail：wyfree@263.net摘要：本文介绍了竖埋管地源热泵系统地下换热器的三维传热温度场数学模型，计算得到了地下换热器的换热机理，提出了层换热理论。竖埋管地下换热器及其周围岩土的温度场分布可以分为三个换热区－饱和换热区、换热区、未换热区。该三区换热理论否定了在二维传热理论基础上的部分结论。该换热理论和实际工程测试数据比较，吻合较好。在此基础上，指出了目前地下换热器设计的错误方法，提出在动态负荷下确定地下换热器的埋深等新方法。上述成果对今后地下蓄能冷暖联供系统设计应用和推广都会起到重要的指导意义。关键词：地源热泵，三维传热，三区换热1.地下换热器的三维传热温度场模型1.1模型建立过程目前，国内对地源热泵竖埋管地下换热器的研究理论较多，三维数值模拟基础上的地下换热器研究较少。基于二维温度场的数值模拟忽略了以下换热问题：１）地下换热器进出管在水平方向的相互影响２）换热器进水和出水在竖直方向和岩土换热的影响３）换热器与换热器之间的相互影响４）管内同一截面流体温度、速度相等，分别为管内流体的平均温度和平均流速在实际的地源热泵地下换热器的换热过程中，进水管和出水管的竖向温度分布是不同的，与岩土的换热条件也不一致。换热器如果按照此换热理论进行分析，得到的结论就和换热器的实际换热条件偏差很大，也不能正确指导地下换热器的换热计算和分析。因此，对于地下换热器的换热分析应该建立三维的传热模型。利用离散化数值计算为基础的数值解模型建立了U型竖埋管内进出水管内的流体传热和流动模型，以及岩土的换热模型。岩土传热模型如式（1-1）：eeeeeeeeevTTTTckkkqtxxyyzzρ⎛⎞∂∂∂∂∂∂∂⎛⎞⎛⎞=+++⎜⎟⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂∂∂⎝⎠⎝⎠⎝⎠（1-1）式（1.1）中：ρe、Ce和qv分别表示土壤的密度、比热、单位容积的热产生率（即内热源）U形管内流体流动与对流换热模型采用通用如式（1-2）紊流流动方程：()()φφφρρφSJVdivt=+∂∂ρρ＋1.2计算边界条件与初始条件1）岩土传热边界条件(l)地下岩土的初始温度均匀，且近似为半无限大的传热介质;(2)地下岩土的热物性是均匀的，且不随岩土温度的变化而变化，即具有常物性;(3)地表为第三类边界条件，设定空气温度是当地的月平均温度，http://www.paper.edu.cn-2-U形管内流体流动的边界条件①固体壁面边界条件对于能量方程，U型管外壁面温度与岩土传热耦合求解。假定在壁面上水流不可渗透,对于紊流动能k方程，采用在壁面处扩散通量为零的边界条件：,0=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂wallnφ()hCks，,=φ(1-3)开口处边界条件1）进口边界进口边界包含温度、速度、紊流动能和动能耗散率，进口流体的温度由实际地源热泵机组运行中冷凝器或蒸发器的出水温度决定。对于速度按U形管的流体流量计算给出。2）出口边界按照计算流体力学和数值传热学的方法，假定在出口平面上，流动充分发展，不存在边界下游对上游的影响，即在开口断面上网络节点的参数值对于开口边界内邻近节点上的参数值无影响。在此基础上进行耦合求解，可以得到各种工况下的管群或单管地下换热器中水温动态分布以及换热孔和周围岩土的动态温度分布。1.3二维和三维计算结果对比为对比分析不同计算模型的计算差异，在数值计算分析基础上得到相同条件下的计算结果。其计算图像见图1和2。从图1和2可以看出，二维计算得到的温度场分布是以换热中心的圆柱状换热图像，而三维计算得到的温度场分布是一个不规则的换热图像，根本原因在于进水管管内流体的温度分布和出水管内流体的温度分布是不一致的，这就决定了两管的换热条件不一致，与换热孔的及其周围岩土的换热条件也不一致。因此，从图像看，整个换热图像为不规则型，进水侧和出水侧的温度分布差异较大。图1二维模型计算图像图.2三维模型计算图像Thechart1The2-DimageofmathematicmodelThechart2The3-Dimageofmathematicmodel由三维计算结果可以得到不同工况下，不同季节条件以及不同初始岩土条件下的地下换http://www.paper.edu.cn-3-...