换热埋管周围非稳态温度场的数值模拟

节

一６一

ＥＮＥＲＧＹ

能

ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ

２００５年第６期（总第２７５期）

土壤源热泵地下垂直换热埋管

周围非稳态温度场的数值模拟

吕丽霞，李素芬，李

亮，东

明

（大连理工大学动力工程系，辽宁大连１１６０２４）

摘要：针对土壤源热泵地下垂直Ｕ型换热埋管，建立了周围土壤的非稳态温度场的数学模型，并利用隐式有限差分法进行了数值模拟。通过对制冷和制热工况的模拟，得到土壤温度沿径向的变化规律、埋管出水温度的变化规律及埋管的热作用半径的变化规律。关键词：土壤源热泵；Ｕ型垂直埋管；非稳态温度场

中图分类号：ＴＫ５２３文献标识码：Ａ文章编号：１００４—７９４８（２００５｝０６—０００６—０４

１引言

Ｕ型埋管式土壤源热泵地下换热埋管周围非稳态温度场的物理和数学模型，并用隐式有限差分法对埋管周围的温度场进行了数值模拟，分析了影响温度场分布和垂直埋管传热性能的因素，为ｕ型垂直埋管式土壤源热泵的设计提供了参考依据。２传热模型

本文研究的地下换热埋管的结构如图１（ａ）、（ｂ）所示。传热介质在其中流动方向相反。一进一出构成闭式循环回路。

掌握和了解地下换热埋管周围的土壤温度场的分布是进行土壤源热泵系统优化设计和经济运行的关键和前提。随着土壤源热泵的启停及运行时间的变化，地下埋管周围的土壤温度分布呈非稳态特性。对地下垂直换热埋管周围非稳态温度场进行数值模拟，有利于合理设计地下换热埋管的埋深、数量及间距，对提高热泵系统的性能系数和经济性，降低热泵系统初投资具有十分重要的意义。本文建立了垂直

（ｂ）

图１ｕ型埋管示意图

段以充分发挥市场机制合理配置资源的基础性作用。即充分依靠法规和经济政策而不是用过去的行

政手段去促进市场机制以推动节能。

个代表”重要思想教育解决。即充分说明保护落后是和代表先进生产力的发展唱反调；以权代法和地方保护等来源于封建残余的落后思想又是和代表先进文化的发展方向相对立；保护落后似乎保护了少数人的暂时利益，实质上是损害了广大人民群众的根本利益，所以必须从根本上彻底纠正，以保持续节能。

（收稿日期：２００５—０１—１２）

（６）加强节能的宣传教育以提高公民节能的自觉性是必要的，但首先要作好对各地方和有关部门领导干部的思想教育。如目前从个人政绩观出发而保护落后的违法行为乃影响节能的最大阻力，应运用“三

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对于早期的地下换热埋管周围土壤温度场的传热模型［１Ｉ，Ｕ型管的等效管径选取方法单纯地考虑

２．４边界条仟的确定

等效管外壁为第二类边界条件。当热泵运行时

支管管径，即取为压Ｄｏ，这一模型由于无法考虑两

支管的位置对整个换热过程的影响，因此比较粗糙。本文利用回填热阻等效的思想，将两支管简化为一个当量的单管，可以综合支管管径以及两支管在钻孔中的位置两方面的影响。文中对不考虑轴向传热的情况建立了回填材料和钻孔外土壤的非稳态温度

场的物理和数学模型。２．１前提假设

飞詈Ｌ＝藏

式中

ｑ一单位钻孔散热量，Ｗ／ｍ。

当热泵停止时

㈤

１詈Ｌ＝ｏ

钻孔外土壤的远边界为绝热边界条件，即

（４）

为简化起见，对传热模型作如下假设［２－３］：

（１）岩土是均匀的；

（２）认为埋管周围是无限大空间，不同深度大地

飞磬Ｌ＝ｏ

（５）

飞孑Ｌ＝ｏ

２．５等效管径的确定

等效管示意图如图２所示。回填热阻

Ｒｇ

㈤

原始温度一致且不考虑地面换热；

（３）岩土和回填材料热物理参数不变；（４）不考虑热湿迁移的影响；

（５）等效管不同深度管外壁的温度一致，散热量

一致；

２瓦麓

（７）（８）

Ｒ。＝去ｌｎ（竺）

（６）忽略管壁与回填材料、回填材料与钻孔壁的接触热阻。

２．２导热微分方法

对于管子外壁与钻孔壁之间的回填材料

詈＝惫ｃ磐ａｒ＋÷警，

ａｒ

２

ｌＤｇｆｇ、

ｒ

ａｒ

７

㈤

、▲７

（ｒ。≤ｒ≤ｒｂ）

对钻孔外的土壤

等＝盎Ｃ（等＋薪Ｔ）Ｐ。。、如２劫２

ａｒ

（２）…

图２等效管示意图

（√ｚ２＋ｙ２≥ｒｂ）

式中

Ａ

ｇ、ｐｇ．Ｃ。一回填材料的导热系数Ｗ／（ｍ

℃）、密度ｋｇ／ｍ３和比热容Ｊ／（ｋｇ ℃）；

形状因子［４Ｉ

Ｓｂ＝卢ｏ（拿）卢－

’Ｕ

（９）（１０）

等效管的外径

式中

，．明＝ｊ；ｒ鬲ｂ

Ａ。、』Ｄ。、ｃ。一土壤的导热系数，Ｗ／（ｍ ℃）、

密度ｋｇ／ｍ３和比热容Ｊ／（ｋｇ ℃）；

ｒｂ一钻孔半径，ｍ；ｒｏ一支管半径，ｍ；

９０卢１一几何参数，与Ｕ型管在钻孔中的布

局方式有关。

ｒ。一等效管外径，ｍ；，．ｂ一钻孔半径，ｍ；

Ｔ。Ｔ一回填材料和土壤的温度，℃；ｒ一时间，ｓ。

２．３初始条件

式中

２．６地下换热埋管内有关温度的确定

地下换热埋管内流体的平均温度为［５－－７］

Ｔａ＝Ｔｅｑ＋ｑＩＲｐｉｐ。

（１１）

丁。一等效管壁的温度，℃；ｑＩ一单位管长散热量，Ｗ／ｍ；

Ｒ，ｉ，。一等效管内热阻，（ｍ ℃）／Ｗ，且

将原始大地看成是等温体，并取大地的年平均值作为土壤的原始温度。

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（总第２７５期）

‰＝此如爱等剑＋丽１（１２）

ｍ热泵连续运行８４０ｈ土壤温度的变化；图５为制冷工况连续运行２４０ｈ出口水温的变化。由图３、图４式中ｈ；一支管内换热系数，Ｗ／（ｍ ℃）。

可见，在相同的运行时间下，距离埋管越近，土壤温地下换热埋管出水温度Ｔ。的表达式为

度上升得越快；随着运行时间的增加，埋管周围的土Ｔ。＝Ｔ。一ｑ／（２ｍｃｐｗ）

（１３）

壤温度升幅有所下降。在距离钻孔中心０．４ｍ处，３数值模拟结果分析

热泵运行初始阶段，土壤温度迅速上升，当运行７０ｈ

本文应用隐式有限差分法求解Ｕ型垂直埋管

后，土壤温度上升的幅度开始减小；而在距离钻孔中

周围非稳态温度场：根据隐式差分法的基本原理和

心１．５ｍ处，热泵运行初始阶段，土壤温度几乎没有非稳态温度场的数学模型，采用ＦＯＲＴＲＡＮ语言编变化，当运行７０ｈ后，土壤开始受到热干扰，土壤温制了计算程序，进行埋管周围土壤非稳态温度场的

度上升较快，当运行４８０ｈ后，土壤的温度升幅有所数值计算。

下降。由图５可见，换热埋管的出水温度在热泵运文中模拟了制冷和制热工况土壤源热泵连续运行初始阶段上升较快，随着运行时间的延长，出水温行时地下换热埋管周围温度场的分布。模拟结果如

度的升幅有所下降，并逐渐趋于稳定。在热泵运行

图３～８所示。

的初始阶段，地表面的空气温度比较高，且需要将要

制 …… 此处隐藏：10607字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……