能量桩的传热研究与工程应用

作     者：李新 

作者单位：山东建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：方肇洪

授予年度：2011年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：能量桩 螺旋管 传热模型 解析解 

摘      要：地源热泵空调系统通常需要足够大的室外面积来设置地埋管换热器,这成为制约地源热泵空调系统在建筑容积率大的场合推广应用的主要障碍;同时,与传统空调系统相比,较高的钻孔费用也在一定程度上降低了地源热泵空调系统的经济适用性。为突破这些障碍,亟需找到一种新的可替代钻孔埋管的地热换热器。桩基埋管换热器是一种新型的埋管方式,它是直接将地埋管换热器的换热管埋于建筑物的混凝土桩基中,使其与建筑结构相结合,成为桩基埋管换热器,也称作能量桩。 桩基埋管换热器的设计是否合理准确,决定着地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。因此,对桩基埋管换热器进行传热机理分析,建立桩基埋管的优化设计方法是提高桩基埋管换热效率,确保系统运行可靠性的有效途径,也是推广应用桩基埋管换热器技术的关键。 在研究能量桩的传热机理时,最初本课题组提出了圆柱面热源模型,该模型在分析桩基螺旋埋管和钻孔埋管换热器的传热时都明显优于钻孔埋管换热器的线热源模型和“空心圆柱面模型。但是,圆柱面热源模型把螺旋盘管简化为连续的圆柱面,不能反映螺旋埋管的节距对传热的影响。为此,本研究参与提出线圈热源模型,并进行详细的分析;而且创新性地提出了螺旋线热源模型,符合能量桩中换热管螺旋型布置的实际情况。与以往的有限长模型不同,对于有限长的线圈热源模型与螺旋线热源模型,考虑桩基埋管的长度和埋深两个参数。研究表明,当加热时间趋于无穷大时,有限长的两种模型趋于稳定的时间长短与桩基螺旋埋管的长度和埋深都有关系。 通过本文的研究,无论是线圈热源模型还是螺旋线热源模型,都可以很好地用作桩基螺旋埋管地热换热器的传热模型,并对两种模型进行了比较。在其他条件相同的情况下,两种模型的计算结果基本吻合,最大相对误差也在工程中可以接受的范围内。螺旋线热源模型在介质中的温度场是三维的,但与二维的线圈热源模型相比,并没有增加计算的工作量,因此,本文推荐使用有限长螺旋线热源模型作为能量桩的传热模型。 在本课题组前面提出的几种适用于能量桩的传热模型中,都忽略了埋管的管径,导致在热源处的温升趋于无穷大。本文在实际计算方法中引入了埋管的管半径rp,利用螺旋线热源模型来分析桩基螺旋埋管换热器的管壁和管内流体温度的变化。最后,通过一个具体的工程实例,来模拟计算热泵进出口流体的温度。这些工作为能量桩技术的工程应用打下了坚实的理论基础。