水平埋地管换热器夏季瞬态工况的实验与数值模拟
地埋管换热器变热流工况下换热模型及其试验验证
定， 对 上 海 市 某 别 墅 地 源 热 泵 项 目进 行 现场 实测 ， 将 测 试 得 到 的 相 关 参 数 作 为 已 知 。 待 岩 土 温 度 恢 复 到 初
始值 时 ， 进行变热流试验 ， 通 过 变 热 流 模 型 计 算 的 进 出 口水 温 与实 测 的进 出 口水 温 比较 ， 相 对 误 差 基 本 小 于 ２ ， 最 大误 差 不 超 过 ３ 。 关 键 词 地埋 管换 热器 ； 叠加原理 ； 变热流 ； 试 验 验 证
ｓ ｏ ｉ ｌ ｔ ｅ ｍ ｐｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｏ ｒ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｈｅ ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ａ ｎｄ ｃ ｏ ｍ ｐａ ｒ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｖ ａ ｌ ｕｅ ｓ ．Ｔｈ ｅ
Ｋ ＥＹ Ｗ ＯＲＤＳ ｇ ｒ ｏｕ ｎｄ ｈ ｅ ａ ｔ ｅ ｘｃ ｈａ ｎ ｇｅ ｒ ； ｓ ｕｐ ｅ ｒ ｐ ｏｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｉ ｎｃ ｉ ｐｌ ｅ； ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｂｌ ｅ ｈ ｅ ａ ｔ ｆ ｌ ｕ ｘ； ｅ ｘｐ ｅ ｒ ｉ —
（ 上海 理工 大学 ）
摘 要 地埋 管换 热器 实 际运 行 时 ， 热 流 总是 变 化 的 。为 了 研 究 变 热 流 模 型 的 正 确 性 ， 本 文 讨 论 变 热 流 下
叠加 原 理 在 无 限长 线 热 源 模 型 中 的应 用 ， 以及 此 模 型 下 地 埋 管 换 热 器 进 出 口水 温 的理 论 解 。 先 保 证 热 流 恒
ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏｗ ｔ ｈａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｄｅ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｌ ｅ ｓ ｓ ｔ ｈａ ｎ ２
水平地埋管换热器夏季动态换热特性数值模拟
水平地埋管换热器夏季动态换热特性数值模拟建立了二维水平地埋管换热器数值模型，分析了地埋管流动介质流速、入口温度、工作模式对地埋管换热特性的影响。
计算表明：提高流速和入口温度有利于提高地埋管换热器的热流密度，然而较大的流速导致地埋管需用功率急剧增大；在循环操作模式下，地埋管换热器在运行时具有更高的换热效率。
此外着重分析了土壤温度的动态变化过程，地埋管埋深以上区域易受地表温度影响，循环操作模式下，地埋管周围土壤高温区域更小。
标签：地源热泵；水平埋管换热器；动态换热特性；数值模拟能源与环境是当今人类生存与发展面临的紧迫问题[1]，以石油、煤炭为代表的不可再生能源的急剧消耗并且造成了环境污染等问题。
通常距离地表面深度6m～45m的土壤温度大致保持恒温，正是利用地下土壤温度相对稳定的特性，地源热泵技术实现建筑环境与大地的能量交换，随着节能绿色建筑理念日益融入城镇化建设，该技术将会得到进一步的重视与发展。
地埋管换热器为地源热泵的重要部件，其换热特性将直接决定地源热泵的换热效率。
竖直地埋管换热器换热效率高，然而钻井成本等前期费用高；水平地埋管通常埋深0.8m～2m，由于易受地表温度的影响，换热效率较低，但是投入成本小，因而综合考虑换热效率与投入，水平换热器也是一种可行的解决方案。
目前，国内外对竖直地埋管换热器研究较多，而对水平地埋管换热器研究相对较少。
Bhutta等人研究了适用于不同型式地埋管换热器的数值计算方法，包括湍流模型、速度压力耦合算法的选择等，研究表明数值计算是地埋管设计和评估换热特性的有效工具；Benazza等对水平地埋换热器的换热特性进行数值模拟，研究了土壤导热系数和地埋管尺寸对换热器换热特性的影响；张锐[2]等研究了埋深对地源热泵水平连接管夏季换热性能的影响；Conged等人利用数值模拟手段研究了水平地埋管换热器型式、埋深、管内流速等参数对换热特性的影响；Inalli等人对水平地埋管换热器进行实验研究，得出地埋管埋深分别为1m和2m 时，对应的COP值（制冷效率）为2.66和2.81。
水平地埋管换热器的传热性能研究的开题报告
水平地埋管换热器的传热性能研究的开题报告
一、研究背景及意义
地下水平埋管换热器是一种利用地下温度和地下水的稳定特性进行空气调节和供暖的设备，具有高效、节能、环保等优点，被广泛应用于建筑物的能源利用及环境保
护领域。
然而，由于地下环境的复杂性和埋管换热器的实际使用情况，其传热性能的
研究仍然存在许多问题和挑战。
因此，对水平地埋管换热器的传热性能进行研究，具
有重要的现实意义和科学价值。
二、研究内容及方法
本文将重点研究水平地埋管换热器的传热性能，包括热传导、热对流和热辐射等方面。
针对埋管换热器与土壤的热交换机制，采用数值模拟、实验测试和理论分析相
结合的方法，分析土壤温度场和流场分布规律，以及埋管换热器内部介质的流动特性
和热传递机制，探究不同设计参数对传热性能的影响，并提出优化设计方案。
三、研究目标和预期成果
本文的研究目标是深入了解水平地埋管换热器的传热性能，发现其优缺点，提出可行的优化方案。
预期成果包括：
1. 确定土壤热物理参数及其变化规律，分析不同设计参数对地下温度分布的影响；
2. 研究埋管内介质流动和传热机制，构建换热模型；
3. 测试不同设计参数下换热器的传热效率和能耗，进行数据分析、建模和优化设计；
4. 提出优化建议和方案，为实际工程应用提供理论依据和技术支持。
四、研究进展和计划
目前，已对水平地埋管换热器进行了相关文献调研和实地观测，初步了解了其传热机理和应用现状。
下一步，将开展数值模拟和实验测试，探究不同设计参数对传热
性能的影响。
预计在 2021 年 6 月完成论文初稿，2022 年 3 月完成答辩。
水平管外自然对流换热实验过程仿真
水平管外自然对流换热实验过程仿真
水平管外自然对流换热实验过程仿真
本仿真主要采用flash软件、ASP语言和相应的数据库对水平管外自然对流换热实验过程进行了模拟,使实验人员可以在计算机网络终端上实现自然对流换热的实验全过程,并对实验数据结果进行处理,形成相应的关联式.本文对新研发的仿真软件进行了介绍.
作者：李军凌长明揣华建袁伟铭刘斌作者单位：广东海洋大学工程学院,广东湛江,524025 刊名：科技资讯英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)：2007 ""(23) 分类号：N33 关键词：自然对流仿真模拟数据库。
《地埋管换热器传热过程的数值模拟研究》——读书报告
《地埋管换热器传热过程的数值模拟研究》——读书报告地埋管换热器的传热计算研究是地源热泵系统的难点，同时也是地源热泵技术的核心和应用基础。
因此，地源热泵技术的推广应用，关键和难点也就在于对地埋管换热器的传热机理及模型进行分析，建立准确的设计计算方法。
北京工业大学的杨刚杰在前人研究的基础上对模型进行了改进，使其能更精确的模拟地源热泵系统，并且从单管模型延伸到管群模型，对地埋管管群的布置方法进行了讨论研究，最后总结规律提出新的地埋管管长计算方法。
下面简要介绍一下文章中提出的优化后的管群数值模型。
在土壤源热泵系统中，单根地埋管换热器埋入地下深度一般为一百米，随着深度的增加，热泵系统的投资成本也随之几何增长。
但实际工程中单根换热器难以满足负荷需求，因此工程会采用由几十根或者上百根地埋管换热器组成的管群来满足工程要求。
为了保证管群换热器能高效率长期运行，必须要设计出合理的管群配置方式，如埋管深度、埋管数量、埋管间距、埋管排列方式等。
埋管太深会增加工程投资成本，埋管间距太小会造成埋管间热干扰印象长期运行和蓄热能力，埋管间距太大会增大工程需求地面面积。
为了综合考虑各个影响因素提高管群的换热效率，有必要建立地埋管换热器管群模型进行模拟，从而得出优化方案。
实际地源热泵工程中的管群排列方法主要有两种，顺排和叉排，其排列方法分别如图 1 所示。
顺排方法是以 4 根管为最小单位组成的正方形排列，每行每列间距相等；叉排方法是以 3 根管为最小单位组成的正三角形排列，每根管与其相邻管的间距相等。
本文选取顺排图 a)中的 3×3 阵列的正方形区域建立了管群顺排模型，选取叉排图 b)中正六边形区域建立了管群叉排模型。
图1、管群排列示意图在地埋管换热器单管模型基础上，利用 Gambit 软件建立管群模型，并且划分网格，方法与单管模型的方法相同，划分好网格之后的模型图如图2 所示：图2、管群模型的网格划分模拟计算分别采用有地下水渗流和无地下水渗流模型，两模型又分别有叉排和顺排两种排列方法，管群的管间距为 3m。
地埋管换热器热扩散半径试验及数值模拟515
地埋管换热器热扩散半径试验及数值模拟研究李新华，段新胜，段士强（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉430074）摘要：地源热泵地下换热器换热性能直接决定着整个系统性能的优良与否，它与地层岩性、水文地质条件、钻孔回填材料的性能、钻孔直径、孔深以及埋管直径等诸多因素有关。
合理的埋管间距不仅可以增强换热效果，还可以减小换热器相互之间的热干扰，从而提高系统整体性能。
本文在延长加热时间的热响应试验基础上，通过土壤中布设大量地温传感器研究热扩散半径，同时应用数值模拟技术探讨热扩散半径变化规律。
关键词：地埋管换热器；热扩散半径；热响应试验；地埋管间距中图分类号: TU831. 4 文献标识码: ATest and numerical simulation Study on diffusion radius of groundheat exchangerLi Xinhua, Duan Xinsheng, Duan Shiqiang(Engineering College, China University of Geosciences (Wuhan), Hubei Wuhan 430074, China)Abstract: The performance of borehole heat exchanger of ground source heat pump directly decides whether the performance of whole system is good or not, which has something to do with stratigraphic lithology, hydro-geological conditions, the properties of backfill materials, diameter and depth of the borehole, and the diameter of the PE pipe etc. Reasonable spacing of the borehole heat exchangers cannot only enhance heat transfer effect, but also decrease the thermal interference, which will improve the overall system performance. In this paper, thermal diffusion radius was studied based on the extensionof the heating time of the thermal response test, and the earth temperature sensors buried apart awayfrom the heat exchange borehole, as well as numerical simulation technology.Key words:borehole heat exchanger; Diffusion radius; Thermal response test; spacing of the borehole前言地源热泵作为一种环境友好、能源节约和经济可行的建筑物供暖与制冷新技术越来越受到关注。
地埋管换热器地下传热数值模拟
地埋管换热器地下传热数值模拟以长沙地区某办公楼为研究对象，利用FLUENT软件模拟了其土壤源热泵系统运行5年的土壤温度分布情况，在不考虑土壤与外界空气的传热情况下，空调季与其后过度季的土壤平均温度差别较小，但过度季土壤温度分布比空调季更均匀。
冬夏季地埋管换热量的不平衡将导致土壤温度的变化，埋管放热量大于吸热量时，土壤温度将逐年上升，反之将逐年下降，两种情况都不利于空调系统的持续运行。
空调系统第一年是从夏季制冷开始运行还是从冬季制热开始运行对土壤的温度影响较大，应该根据建筑的空调负荷及土壤热物性综合考虑确定。
土壤源热泵；地埋管换热器；计算流体力学；FLUENT引言地源热泵系统是一种利用地下浅层资源的既可以供热又可以制冷的高效节能空调系统。
其工作原理是系统通过地源热泵将地下的热能提取出来对建筑供暖，或者将建筑中热能释放到地下从而实现对建筑的制冷[1]。
夏季，可将建筑内的热能储存于地层中以备冬用，同样，冬季可以将富余的冷量储存于地层以备夏用。
这样，通过利用地层自身的热工性能实现对建筑物和环境的能量交换。
地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温热能向高温转移。
理论上，地源热泵消耗1kW电能，用户可以得到4kW以上的热量或冷量[2]。
比电锅炉加热节电2/3以上；比燃料锅炉节能1/2以上。
由于地源热泵的冷、热源温度全年较为稳定，长沙地区一般为16.8℃左右[3]，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右。
因此近年来，中国政府出台一系列支持地源热泵的政策，地源热泵空调系统取得了较快发展[4]。
地源热泵分为地下水源热泵、土壤源热泵和地表水源热泵等[5]。
土壤源热泵技术能否被广泛推广应用，很大程度上取决于精确、可靠的系统设计方法和计算工具，地下埋管换热器长期运行性能研究是这个系统的核心部件。
土壤源热泵系统运行过程中对地下土壤温度产生的影响需要进一步研究。
U型垂直埋管属于土壤源热泵的一种，具有良好的节能、环保等特性，而且经济效益显著[6]适用于城乡居民住所及办公楼等的采暖、制冷需求。
埋地热油管道非稳态水力热力工况的数值模拟及应用研究的开题报告
埋地热油管道非稳态水力热力工况的数值模拟及应用研究的开题报告一、研究背景随着能源需求的增长和环保意识的不断增强，地热能作为一种清洁、可再生和持续的能源形式，在热力领域得到了广泛应用和研究。
而地热能的开采受到地质、水文、物理等方面的因素影响，因此提高地热能有效利用的方法之一就是通过埋设地热油管道对地热能进行传输。
然而由于地下环境的复杂性，地热油管道的水力热力特性涉及到热传递、机械运动和流体动力学等多个方面，因此需要对其非稳态水力热力工况进行深入研究。
二、研究内容本研究旨在对埋地热油管道的非稳态水力热力工况进行数值模拟和分析，从而探究其在地热能传输中的应用。
具体研究内容如下：1. 分析地热能传输系统的基本运行原理及设备组成。
2. 建立埋地热油管道的数学模型，考虑流体动态学、热传递、机械运动等多个因素。
3. 使用CFD软件进行数值模拟分析，研究管道内流体的运动规律、温度分布以及热传递特性等。
4. 对管道不同工况下的流体动力学特性、热传递效率等进行对比分析。
5. 在数值模拟的基础上，探究埋地热油管道在地热能传输中的应用潜力及其优化措施。
三、研究意义和创新点通过本研究，可深入探究埋地热油管道的非稳态水力热力工况，并为地热能传输系统的线路设计、运行优化提供理论依据。
具有以下几个意义：1. 探究地热能传输中埋地热油管道的水力热力特性，对地热能的利用和开发提供科学依据。
2. 建立非稳态水力热力模型，对地热油管道内的流体动力学、热传递等运动特性进行数值模拟，提高了研究方法和手段。
3. 针对不同工况进行对比分析，探究优化管道设计和操作的措施，为地热能传输系统的运行和维护提供参考。
四、研究方法和技术路线1. 文献调研：通过查阅相关文献，了解埋地热油管道的研究现状、发展趋势和存在问题。
2. 理论分析：基于流体动力学、热传递等原理，建立埋地热油管道的非稳态水力热力模型。
3. 数值模拟：使用CFD软件对管道内流体的运动规律、温度分布以及热传递特性等进行数值模拟分析。
双U型地埋管换热器换热性能模拟分析
第52卷第6期2021年6月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.6Jun.2021双U 型地埋管换热器换热性能模拟分析杨培志1，陈嘉鹏1，陈君文2，李明3(1.中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙，410083；2.中航长沙设计研究院有限公司，湖南长沙，410014；3.湖南凌天科技有限公司，湖南湘潭，410005)摘要：针对垂直双U 型地埋管换热器，在MATLAB 平台上建立热渗耦合作用下地埋管换热器的三维数值传热模型，并通过岩土热响应试验验证该模型的正确性。
基于建立的三维数值传热模型，分析U 型管内水流速度、回填材料热物性参数、地下水渗流速度及地下水水位对地埋管换热器换热性能的影响。
研究结果表明：当U 型管内水流速度从0.1m/s 增大到0.2m/s 时，可以明显提高地埋管换热器的换热性能；与增大导热系数相比，增大容积比热对提升地埋管换热器换热性能不明显；当地下水渗流速度从0m/a 增大到35m/a 时，地埋管换热器与土壤的换热效果明显；地下水位对地埋管换热器换热性能有较大影响。
关键词：地埋管换热器；三维数值传热模型；地下水渗流；岩土热响应试验中图分类号：TK52文献标志码：A文章编号：1672-7207（2021）06-1733-06Simulation and analysis of heat transfer performance of doubleU-tube ground heat exchangersYANG Peizhi 1,CHEN Jiapeng 1,CHEN Junwen 2,LI Ming 3(1.School of Energy Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;2.China Aviation Changsha Design and Research Co.Ltd.,Changsha 410014,China;3.Hunan Linten Science and Technology Co.Ltd.,Xiangtan 410005,China)Abstract:A three-dimensional numerical model of double U-tube ground heat exchangers (GHEs)was presented with heat transfer and groundwater seepage in MATLAB platform,which was verified by rock-soil thermal response test.Based on the established three-dimensional numerical heat transfer model,the influence of flow rate of U-shaped tube,thermophysical properties of grout,seepage flow rate and groundwater level on heat exchange performance of GHEs was analyzed.The results show that when U-tube water flow rate is from 0.1m/s to 0.2m/s,DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.06.001收稿日期：2021−01−10；修回日期：2021−03−15基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金面上资助项目(51276226)(Project(51276226)supported by the National NaturalScience Foundation of China)通信作者：杨培志，博士，副教授，从事制冷与空调技术的开发及应用研究；E-mail:*******************.cn引用格式：杨培志,陈嘉鹏,陈君文,等.双U 型地埋管换热器换热性能模拟分析[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(6):1733−1738.Citation:YANG Peizhi,CHEN Jiapeng,CHEN Junwen,et al.Simulation and analysis of heat transfer performance of double U-tube ground heat exchangers[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(6):1733−1738.第52卷中南大学学报(自然科学版)the heat transfer performance of the buried tube heat exchanger can significantly be improved.Increasing the volume specific heat to enhance the heat transfer performance of buried tube heat exchanger is not obvious compared to increasing the thermal conductivity.When groundwater percolation rate is from0m/a to35m/a,the buried tube heat exchanger with soil′s heat transfer effect is obvious.The depth of the groundwater level on the buried tube heat exchanger has greater impact on the heat transfer performance.Key words:ground heat exchangers;3D numerical model;groundwater seepage;rock-soil thermal response test随着全球能源与环境问题的日益突出，能源的高效利用与环保已经越来越受到人们的重视。
地源热泵夏季性能测试及传热模型
专题研讨地源热泵夏季性能测试及传热模型重庆大学程群英m罗明智孙纯武刘宪英摘要对50m深埋地下换热器地源热泵系统夏季间歇运行时的制冷性能进行了测试,分析了系统运行对地温的影响,提出采用混合系统来解决重庆地区冬夏季土壤中吸热、放热不平衡的问题,引入圆柱源理论建立了垂直U型管传热模型,模拟结果与实验结果吻合较好。
关键词地源热泵地下换热器传热模型性能测试Performance test of ground source heat pump systemsin summer and heat transfer modelB y Cheng Qun yin g n,L uo M in gzh i,Sun Ch unwu an d L iu X ianyingAbstract T ests the re fr ige ra ting perf o rma nce o f the gr ound so ur ce he at pump syste m w ith50-metr e-dee p buried under gr ound e xchange r oper ating inte rmittently in summer.Analyses the eff ect o f system oper ation o n under gr o und tem per at ur e.Suggests ado pting mixed syste m t o solve the pr o blem of the rma l imbalance betw een sum mer and w inte r in Chong qing are as.I ntro ducing the cy lindr ica l heat so ur ce theo ry, establishes a ve rtical U-type hea t tra nsfer mo de l.T he sim ulated re sults tally w ith the e xperimenta l data.Keywords g r ound so ur ce hea t pump,under gr o und exchang er,heat tr ansf er model,per fo r mance test n Chongqing Univers ity,Chongqing,Chi na①0引言据统计,2002年中国的建筑能耗约占总能耗的27.6%[1],建筑物中的大部分能耗主要用于供暖、空调和热水供应。
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1999年4月J o urnal of Huna n U niv er sity(N atural Sciences Edition)Apr.1999水平埋地管换热器夏季瞬态工况的实验与数值模拟⒇李元旦 魏先勋(湖南大学环境工程系,中国长沙,410082) 摘 要 结合水平埋地换热器夏季换热工况的一组测试数据,验证了水平埋管换热器分析程序(HGHA)的可靠性.并利用该程序对影响埋地换热器夏季瞬态换热工况的一些参数进行了分析,并对模拟结果进行了物理意义上的讨论.关键词 埋地换热器,数据模拟,热泵分类号 TU831.4,TK11Ex perimental and Numerical Simulation of Horizontal Ground-Coil Heat Exchanger in Cooling ModeLi Yuandan Wei Xianx un(Dept o f Envir onmental Engineering,H unan U niv,410082,Changsha,P R China) Abstract Based on the mathematical model presented by V.C.M ei,a prog ram, HGHA,w hich can be used to analyze the hea t transfer cha racteristics o f ho rizontal g round-coil hea t ex changer in the cooling mode is v alida ted by the compariso n with the m easured sho rt-term data.And then,some factors like the soil co nductivity,coil size and coil pipe conductiv ty that influence the tem perature of the g ro und-coil outlet wa ter are analy zed.Those results are also elabo rated in the view o f basic heat transfer theo ry.Key words g round-coil heat ex chang er,num erical sim ula tion,hea t pump1 背 景在空调系统的节能中,热泵技术以其能源利用率,特别是一次能源利用率高的优点,得到了普遍的应用.热泵装置按其低位热源的类型可以分为空气型、土壤型、空气-土壤-太阳复合型及废热型等多种.空气型热泵使用得最为普遍,但对于冬季室外气温较低的地区,室外机组可能因结霜而使得机组“出力”不足,甚至完全没有效果;在夏季,室外机组不但影响建筑的美观,它排出的热空气也往往易在局部形成“热污染”.土壤源热源以土壤为热源或热汇,其最常见的形式如图1所示.其室外侧换热器采用水冷式(也有直接蒸发⒇收稿日期:1998-03-15.第一作者李元旦,男,28岁,硕 士图1 土壤源热泵系统示意图式),通过中间流体(水或其它盐溶液)在室外侧换热器与埋管换热器之间的闭式循环从/向土壤中取/散热.由于土壤对气温的波动有衰减和延迟,一定深度下的土壤是较为理想的热源或热汇.一般来说,地下10m 深处土壤的温度可以认为是恒定的,且近似等于当地年平均气温[1].可以认为,土壤源热泵系统中地下埋管换热器相当于常规水冷空调系统中的冷却塔或热源,其进出口水温直接影响到热泵装置的效率.但由于土壤中的换热是一个热质耦合的复杂传热过程,且随土质、地理位置及地下水等诸多因素而变化,能否准确估计埋管换热器的换热量是保证热泵装置正常工作,降低土壤源热泵初投资的前提条件.本文结合对水平埋管换热器夏季换热工况的测试,对埋地管换热器的瞬态换热工况进行了研究,并利用自编的水平埋地管换热器换热分析程序HG HA 对影响换热的一些参数进行分析.2 实验装置介绍[2]实验地点选在湖南大学校园内,实验目的是对影响埋地换热器热性能的多组参数进行分析.实验以电加热恒温水箱模拟夏季空调器的室外冷凝器,3组不同功率的加热电阻分别为500,1000,1500W ,在加热水箱内设温度控制器,控制精度为±1.0℃,可以方便地模拟埋地管换热器恒定进口水温和恒定加热热量两种运行方式;流量的测定采用旋翼式流量计,测量精度为±1.0×10-3m 3/h;实验用埋地管为公称直径20m m 的镀锌钢管,呈水平蛇行多层布置,埋管间距设有600,500,400mm 三种.土壤的热物性参数在埋地换热器施工时取样由湖南大学土木系地基实验室测得.沿埋管长度方向将热电偶用钎焊焊接在埋管壁上,以减少接触热阻,同时在沿埋管水平径向土壤中埋设自制铜-康铜热电偶,共计24只,以测量沿流动方向及埋管附近土壤温度变化;在埋管的进出口处也安装了热电偶,测量流体进出口温差;全部热电偶在埋入地下前均在恒温水浴内用冰点槽法逐一进行了标定.热电偶的读数是利用Adv antech 公司的PCL-812型多通路数值巡检仪在微机上进行的,为便于研究换热的瞬态工况,采用了较小的巡检时间间隔10s;测试的数据以小时为单位自动生成数据文件并自动存储,可以很方便地利用E X CEL 或其它软件在实验完毕之后进行处理和分析.3 数学模型及离散过程前已述及,从严格的意义上来讲埋地换热器的真实过程属于复杂的不稳态热质耦合过程,完全真实地模拟很难.纵观国内外现有的描述埋地换热器的数学模型大致可以分为4类:Ing ersoll 提出的基于Kelv in 线源理论的理想模型、P.D.M etz 采用的改进线源模型、热质迁移模型和V .C .Mei 提出的基于能量平衡的数学模型,这些模型的差异及优劣59 第2期 李元旦等:水平埋地管换热器夏季瞬态工况的实验与数值模拟 可参阅文献[3].本文采用了V.C.Mei提出的数学模型,并通过自行编写的可用于模拟水平埋地管换热器全年工况的程序HGHA,对影响埋地管换热器的夏季运行的参数进行了对比分析.根据文献[4],可以导出下述描述换热过程的控制方程组及初始、边界条件.控制方程: -V T fx+2k pr0d f C j·T pr r=T ff (r≤r0),(1) 2T pr+1rT1r=1T pT pf (r0≤r≤r1),(2) 2T sr2+1rTr=1T sT sf (r1≤r≤r F),(3) 边界条件: r=r0处,h(T r-T f)|r0=k pT pr|r,(4) r=r1处,2πk p T pr|r1=k s∫2π0T s r|r1dθ,(5)r=r F处,利用文献[4]给出的公式 T sF=T A-D T*ex p(-Z·π8760·T s)·cos(2πt8760--Z·π8760·T s),(6)初始条件: t=t0时, T=T f i(x),(7) T p=T pi(x,r),(8) T s=T si(x,r,θ),(9)初始时刻温度值T f,T p,T s均可用(6)式计算得到.流体入口条件为: T f(t,0)=T f0(t)(10)式中T f0(t)对于恒定入口条件有: T f0(t)=co nst(11)对于恒定热量有: T f0(t)=Qm C+T f i(t)(12)式中T温度(℃); V流体流速(m/s); K导热系数(W/m·k);f时间(s); x埋管长度方向距离(m); r径向长度(m);T热扩散系数(m2/h); T A地表年平均温度(℃);i初始时刻;D T地表年平均温度波动值(℃); d密度(kg/m3);C定压比热(J/kg·K); θ周围角(rad); m质量流量(kg/s);Z埋管深度(m); t计算时刻,以每年1月1日零时为参考点.式中下标: f流体; p管壁; s土壤; 0管内壁; 1管外壁; F远端边界.60 湖南大学学报(自然科学版) 1999年对上述方程的求解,本文采用了有限差分(FDE)方法.在沿流体流动方向分为L x 个等距节点,沿径向分为N x 个不等距节点,沿周向分为M x 个等幅角节点.因采用控制容积法导出的离散方程具有物理意义明晰的优点,故本文所有离散方程均采用内节点控制容积法导出[5].最终我们可以得到一组离散方程: Tf N +1i =(1-a -b )·Tf N i +b ·Tf N i -1+a ·Tp N i (i =1,2,…,n x ),(13) Tp N +1i =(1-c -d )·Tp N i +c ·Tf N i +d ·Ts N i ,1,m (i =1,2,…,n x ),(14) Ts N +1i ,n ,m =(1-a 3-b 3-2·c 3)·Ts N i ,n ,m +a 3·T N i ,n -1,m +b 3·Ts N i ,n +1,m +c 3·{Ts N i ,n ,m -1+Ts Ni ,n ,m +1} (i =1,2,…,n x ,n =1,2,…,ns ,m =1,2,…,ms ).(15)其中a ,b ,c 及a 3,b 3,c 3为与热物性及网格节点尺寸有关的系数,详细地推导可参阅文献[2].在此基础上,编写了用于水平埋地管换热器性能分析程序HGHA ,并用来对水平埋地管换热器的夏季瞬态工况进行模拟.4 实验与数值模拟分析内容HGHA 程序的输入参数为:埋管的结构尺寸、热物性参数、埋深、流量、热量(或给定的流体入口水温)、土壤的热物性参数及计算的起始时刻.输出为:出口流体温度、流体沿管壁的温度及土壤温度的变化.公式(6)中的土壤热扩散系数在埋管施工时已测出.土壤温度计算公式,采用文献[6]所给资料按Kusuda 及Achenbach 公式[1],用最小二乘法来辩识参数T A ,D T ,及 [2].4.1 数值模拟的实验验证为了验证HGHA 分析程序的可靠性,我们仅将1998年8月23日14∶30～15∶30的一组测试数据与计算值进行比较.实验参数:加热量Q =1500W ,流量L =0.6m 3/h,连续加热1h,埋地管间距为600m m ,其它参数可参阅文献[2].图2 计算与实测水温对比实测数据与计算值的对比如图2所示,可以认为计算的温升曲线能较好地与实测的温升曲线相符合,计算的进、出口水温分别较实测值高1.2℃和0.7℃(相对误差分别为3.8%和2.0%),实测值的温升曲线要比计算值平缓一些,主要是由于对于定加热量工况来说,本实验采用加热水箱容积较大,具有一定的蓄热能力,从而使得水的温升要慢一些,而HG HA 未能模拟水箱的蓄热工况;另一个原因是由于土壤的热物性参数与原状土实际值有一定的差异,且在61 第2期 李元旦等:水平埋地管换热器夏季瞬态工况的实验与数值模拟 不同的深度并非均一,采用平均热物性参数计算会产生一定的误差[2].尽管如此,数值预测的准确度还是较好的,证明可以利用HGHA 来模拟水平埋地管的夏季瞬态换热工况.图3 不同土壤导热系数对水温的影响4.2 影响埋管换热的热物性参数研究为了研究影响埋管换热的诸多影响因素,本文研究着重研究土壤导热系数、埋管管径及埋管壁材质对整个换热的影响.图3为两种不同导热系数的土壤对流体进出口水温的影响.工况2为本实验地点的砂质粘土,导热系数为1.346W /m ·K ;工况1为灰土壤,导热系数0.732W /m ·K [6].模拟结果表明,工况1的进出口水温变化要比工况2高出4.5℃,显然,土壤导热系数是一个对换热性能影响较大的因素.图4 不同埋管管径对水温的影响图4为其它参数不变,改变埋管管径对流体进出口水温的影响.工况1采用的公称管径为20mm ,工况2的公称管径为40m m ,结果表明,采用较大管径的工况2,其出口水温要较工况1低1.7℃且其温升曲线也要平缓.这与定性分析的结论一致:采用较大的管径,单位管长的换热面积要大一些,而只要流动仍然处于紊流充分发展区,其传热系数不会有太大变化;采用大管径埋管,其管内流体的热容量较大,故对于瞬态工况,其温升要小.图5 不同埋管材质对水温的影响图5为采用两种不同的埋管管材对水温的影响.工况1采用的是镀锌钢管,导热系数为49.8W /m ·K ,工况2采用的是中等密度聚乙烯管,导热系数为0.46W /m ·K,结果表明:工况2的出口水温较工况1要高 1.1℃,这一结论从传热学的角度不难理解.结合图3和图5,我们可以得出这样的结论:土壤导热系数对流体进出口温度(单位管长的埋管换热量)的影响更大,因为在流体管壁土壤这一复合导热过程中,土壤热阻在总换热阻中占的比例更大.因而其影响也更明显.62 湖南大学学报(自然科学版) 1999年5 结 论通过一组实测数据与数值模拟的结果对比,验证了HGHA 程序用于模拟水平埋管夏季换热瞬态换热可靠性,并在此基础上研究了土壤的导热系数,埋管管径及埋管管壁的导数系数对换热性能的影响.结果表明:土壤的导热系数的影响最为显著;只要能保证流体流动处于充分紊流状态,采用较大的埋管管径有利于增强换热效果;采用金属管材在短时间内的换热效果要比聚乙烯管好.但HGHA 程序用于水平多层埋地换热器长时间运行的适用性还有待于进一步研究.致谢:在本论文的实验过程中,湖南大学环境工程系陈友明博士(副教授)多次指导调试测试系统,宁友荣老师帮助制作安装了部分实验装置,在此一并致谢.参考文献1 K usuda T ,Achenba ch P R .Ear th tempera ture and therma l diffusivity at selected sta tio ns in th e U -nited Sta tes.Ash rae T rans,1965,71(1):61～742 李元旦.土壤源热泵水平埋地换热器夏季工况换热性能的研究:[硕士论文].长沙:湖南大学环境工程系,1999.53 M ei V C.H ea t tra nsfer of buried pipe fo r hea t pump applica tio n.Jour nal o f Solar Ener gy Enginee r-ing,1991,113L :51～554 M ei V C.Theo retical heat pump g ro ud coil analysis w ith v a riable g ro und fa r-field bounda ry condi-tio ns .A ICHE Jour nal ,1986,32(7):1211～12155 陶文铨,陈在康.计算流体力学与传热学.北京:中国建筑工业出版社,19916 地下建筑暖通空调设计手册编写组.地下建筑暖通空调设计手册.北京:中国建筑工业出版社,1983:6～863 第2期 李元旦等:水平埋地管换热器夏季瞬态工况的实验与数值模拟 。