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地下U形埋管传热及土壤温度分布研究.pdf
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1、2023 年第 9 期2023 年 9 月能源是人类赖以生存的重要物质基础。但是随着人类社会的飞速发展,能源消耗量与日俱增,导致不可再生能源面临消耗殆尽的危险。目前,以煤炭等不可再生能源为主的能源结构已经对地球环境造成了极大的破坏。因此,为了实现社会的可持续发展,必须转变目前的能源结构,大力发展和使用清洁的可再生能源。地源热泵系统是一种利用浅层地热资源的既可以制冷又可以供热的高效节能热泵系统1。有关研究显示,地源热泵系统在其寿命周期内的成本要比传统暖通空调系统的成本低,经济效益更加明显2。地源热泵系统大体分为三类,分别是土壤源、地下水源和地表水源热泵系统,其中地源热泵系统因具有可再生、节能经济
2、、环保、高效等优点而备受青睐3。本文主要针对 U形埋管入口水温、水流速度以及回填土导热系数对地下U 形埋管传热及土壤温度分布的影响进行研究。1模型分析1.1物理模型地下 U 形埋管换热器的换热过程属于非稳态传热过程,其周围温度场受到诸多因素的影响,换热过程十分复杂。为了简化求解过程,方便数值模拟,在建模前作出以下假设4:1)在数值模拟过程中,流体、土壤的热物性保持不变;2)土壤整体均匀,初始温度保持一致,不受深度的影响;3)忽略地下热湿迁移对埋管换热的影响。模型由三部分组成:U 形埋管、回填土、土壤。由收稿日期:2023-06-29基金项目:广东省自然科学基金面上项目(2022A1515011
3、053);东莞理工学院 2021 年课程思政示范项目(教务 2022 26 号)第一作者简介:杨小平,1979 年生,男,内蒙古乌兰察布人,博士,副教授,主要从事传热流动方面的研究工作。通信作者:邓国兰,2001 年生,女,广东湛江人,在读本科生,主要从事传热蓄热方面的研究。地下 U 形埋管传热及土壤温度分布研究杨小平1,2,邓国兰1,张境昌2(1.东莞理工学院化学工程与能源技术学院,广东 东莞 523000;2.广东省分布式能源系统重点实验室,广东 东莞 523000)摘要:对地源热泵系统核心组成部分的地下 U 形埋管的传热性能进行了深入研究遥 首先建立了真实的地下 U 形埋管换热器的模型袁
4、 然后对地下 U 形埋管换热器在不同工况下的运行进行了模拟计算遥 重点研究了 U 形埋管入口水温尧 水流速度和回填土导热系数对 U 形埋管传热和土壤温度分布的影响遥 结果表明院 最佳水流速度应为 0.6 耀 0.8 m/s曰 最佳回填土导热系数应比土壤导热系数大袁 且小于土壤导热系数的 2 倍曰 U 形埋管组最佳管间距应保持在 6 m 左右曰 增大入口水温尧 水流速度及回填土导热系数都会使土壤温度有所升高遥关键词:地源热泵曰 U 形埋管换热器曰 数值模拟曰 温度分布中图分类号:TU83文献标志码:A文章编号:2095-0802-(2023)09-0020-03Heat Transfer and
5、 Soil Temperature Distribution of Underground U-shapedBuried PipesYANG Xiaoping1,2,DENG Guolan1,ZHANG Jingchang2(1.School of Chemical Engineering and Energy Technology,Dongguan University of Technology,Dongguan 523000,Guangdong,China;2.Guangdong Provincial Key Lab of Distributed Energy System,Donggu
6、an 523000,Guangdong,China)Abstract:This paper conducted in-depth research on the heat transfer performance of underground U-shaped buried pipes,which are the core components of ground source heat pump systems.Firstly,a real model of underground U-shaped buried pipeheat exchanger was established,and
7、then simulation calculations were conducted on the operation of the underground U-shapedburied pipe heat exchanger under different operating conditions.The study focused on the effects of inlet water temperature,waterflow velocity,and heat conductivity coefficient of backfill soil on the heat transf
8、er and soil temperature distribution of U-shapedburied pipes.The results indicated that the optimal water flow velocity should be 0.6-0.8 m/s;the optimal heat conductivitycoefficient of backfill soil should be greater than the heat conductivity coefficient of soil and less than twice of the heatcond
9、uctivity coefficient of soil;the optimal spacing between U-shaped buried pipes should be maintained around 6 m;increasingthe inlet water temperature,water flow velocity and heat conductivity coefficient of the backfill soil will all cause an increase insoil temperature.Key words:ground source heat p
10、ump;U-shaped buried pipe heat exchanger;numerical simulation;temperature distribution(总第 216 期)能源产业202023 年第 9 期2023 年 9 月图 3不同入口水温工况下土壤温度分布变化图于该模型属于对称模型,为了简化建模过程,取其一半进行建模。物理模型几何参数如表 1 所示,物理模型示意图如图 1 所示。表 1物理模型几何参数表单位:mmGx水平方向;Gy竖直方向;Gz铅垂线方向。图 1物理模型示意图1.2数学模型流体的运动遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒3 个基本定律。这 3 个守恒定律由相应
11、的方程来表达,具体可参考文献5。流体到管壁的热传导由式(1)描述:q=hf(Tw-Tf),(1)式中:q为热流密度,hf为传热系数,Tw为管壁热力学温度,Tf为流体热力学温度。管壁、回填土和土壤之间的热传导可看作是纯导热6,由式(2)描述:鄣T鄣t=a鄣2T鄣x2+鄣2T鄣y2+鄣2T鄣z2蓸蔀,(2)式中:T为土壤热力学温度;t为时间;a为热扩散系数;x,y,z为坐标。1.3边界条件管内流体定义为 fluid(流体)的连续性边界条件,管壁、回填土和土壤定义为 solid(固体)的连续性边界条件。流体和管壁的接触面、管壁和回填土的接触面以及回填土和土壤的接触面都定义为耦合壁面边界条件,土壤外围
12、及底部定义为恒温壁面边界条件。U 形埋管、回填土及土壤的物性参数如表 2 所示,这些数据来源于文献7。模拟开始前,各个区域的初始温度都保持在 14.43。表 2模型物性参数表2模拟结果及分析2.1入口水温对传热及土壤温度分布的影响为了更好地反映地下 U 形埋管在土壤中的传热情况,这里采用单位井深换热量分析不同因素对地下 U 形埋管传热的影响。单位井深换热量的定义表示为8:qh=cp籽A淄驻Th,(3)式中:qh为单位井深换热量,cp为水的比热容,籽为水的密度,A为管截面积,淄为水流速度,驻T为进出口水热力学温差,h为埋管深度。仅模拟夏季工况下,地源热泵系统连续运行 24 h入口水温对传热及土壤
13、温度分布的影响,水流速度取0.6 m/s,结果如图 2、图 3 所示。参数名称数值管内径26管外径32管脚中心距180竖井半径150土壤半径3 150管深度60 000竖井深度60 050土壤深度63 050GxGyGz名称材料密度/(kg m-3)导热系数/(W m-1 K-1)比热容/(J kg-1 K-1)U 形埋管高密度聚乙烯PE809500.442 300回填土碎石混凝土1 8602.00840土壤粗砂土(含水率 5%耀10%)1 6001.801 645图 2不同入口水温工况下单位井深换热量变化图11010090807060504094.885.777.867.758.749.62
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