【摘 要】
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目前,土壤源热泵技术作为一种能高效利用可再生浅层地热能的环保节能技术,逐渐被应用到各个行业,但其所带来的地埋管换热器周围土壤冷热堆积问题一直没有得到很好的解决,该问题也成为浅层地热能高效利用需要解决的关键和热点问题。鉴于此本文利用数值模拟方法研究了地埋管换热过程中周围土壤导热系数、比热容以及进水管温度对土壤温度场的影响,并在单管研究的基础上开展了管群对地埋管周围土壤温度场的影响研究。主要研究内容如
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目前,土壤源热泵技术作为一种能高效利用可再生浅层地热能的环保节能技术,逐渐被应用到各个行业,但其所带来的地埋管换热器周围土壤冷热堆积问题一直没有得到很好的解决,该问题也成为浅层地热能高效利用需要解决的关键和热点问题。鉴于此本文利用数值模拟方法研究了地埋管换热过程中周围土壤导热系数、比热容以及进水管温度对土壤温度场的影响,并在单管研究的基础上开展了管群对地埋管周围土壤温度场的影响研究。主要研究内容如下:首先,本文在考虑地埋管内流体非等温变化的基础上,运用有限元数值模拟软件COMSOL Multiphysics建立了竖直单U型换热模型,并用实验数据对模型进行了验证;另外,应用验证模型对土壤热物性参数和地埋管进水温度对周围土壤温度场分布的影响进行了研究。结果表明:(1)运用竖直单U型换热模型得到的周围土壤的温度模拟值与同条件下的实测值相比,偏差百分比绝对值最大为5.5%,表明所建立的竖直单U型换热模型可应用于地埋管换热对周围温度场的影响研究中。(2)地埋管周围土壤的导热系数越大,温度场的热影响范围越大,地埋管管壁处的土壤温度上升量越小,埋管换热能力越强;土壤的比热容越大,温度场的热影响范围越小,地埋管管壁处的土壤温度上升量越小,埋管换热能力越强。(3)地埋管进水温度对地埋管周围土壤温度场的影响表现为进水管的温度与土壤初始温度的差值越大,温度场的热影响范围越大,地埋管与周围土壤可交换的热量越高。其次,在已构建的竖直单U型换热模型的基础上,本文运用COMSOL Multiphysics软件建立了管群换热模型,对管群的不同布管方式、布管间距以及地下水渗流方向对管群周边土壤温度场的影响进行了研究。结果表明:(1)地埋管周围土壤中无渗流时,顺排管群土壤温度场的作用范围大于叉排管群,而叉排管群周围土壤温度的上升量小于顺排管群,换热效果更好;管群布管间距越大,土壤温度场的作用范围越大,土壤温度的最大上升量越小,系统的换热效果越好。(2)地埋管周围土壤中有渗流时,布管方式、布管间距对土壤温度场的影响也呈现与无渗流时相同的规律。当地下水流以0°、45°和90°的角度渗流进入地埋管群后,对于顺排管群,渗流角度为0°时管群周围土壤温度的上升量最小,系统的换热效果最好;而对于叉排管群,渗流角度为45°时管群周围土壤温度的上升量最小,系统的换热效果最好。
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