双U型地埋管换热器管间热干扰现象的分析与研究
作者单位：沈阳建筑大学
学位级别：硕士
导师姓名：张晓明
授予年度：2022年
学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程]
摘 要：我国2021年政府工作报告内容,将努力在2030年前实现碳达峰目标并力争2060年完成碳中和。在全国总能耗中,建筑能耗占比高达39%,比重远超其他类型能耗,而其中40%～60%均为空调能耗。降低空调系统驱动能源中传统化石能源的占比,对实现国家能源安全有重要意义。新出台的《2030年前碳达峰行动方案》着重强调了对地热能等新型能源的开发利用。土壤源热泵系统作为开发地表低位能的装置,具有高效稳定、节能环保、绿色清洁、适用区域广泛等优点。因此,研究土壤源热泵系统地下换热器同土壤间热量交换过程,从而优化换热器结构与系统运行模式,对提高整个热泵系统运行效率就显得尤为重要。本文进行实验模拟时考虑到在土壤源热泵系统工程中,地埋管换热器周围岩土具有结构多层性与组成多样性的特点,采用分层换热模型理论,建立包括多层岩土、回填材料、双U型换热管、换热介质的三维非稳态换热物理模型。通过计算流体动力学（CFD）模拟软件Fluent,对夏季制冷工况下换热器传热过程进行非稳态数值模拟。研究与分析换热井内,双U型地埋管换热器进水管与回水管间热干扰现象的发展规律,进一步研究换热井深度、入口流速、回填材料导热系数、U型管间距等因素对管间热干扰现象以及系统换热效果的影响。研究发现,热干扰现象始终存在换热器进水管与回水管之间,根据管间热干扰发生程度分为三个阶段。换热系统开始运行时,热量通过进水管与回水管管壁向周围传递,一部分热量传递至管间区域并在井内堆积。随传热过程的进行,换热管间区域的温度不断上升,对换热器各换热管向外散热都造成了不同程度的阻碍,此时称换热管间发生了热干扰现象。热干扰第一阶段主要发生在换热器底部,底部四根换热管间彼此抑制对方向井内散热,各管间的相互干扰程度相同,管间没有直接的热量传递。底部温度场的几何重心处于换热井中心位置,此阶段称为热干扰初始阶段。随深度的降低,温度场几何重心逐渐向两根进水管之间偏移。此时进水管对回水管向井内传热起到的抑制作用逐渐增强,此阶段称为热干扰发展阶段。第三阶段进水管与回水管间开始有直接的热量传递。随着深度的降低,周围岩土初始温度不断升高,进水管与回水管内流体温差增大,井内热量不断堆积,管间开始发生热量传递现象,也称“热回流现象。在温度梯度的作用下,热量从进水管内传递至井内后,会通过回水管内侧管壁传入回水管中。距离地表越近,“热回流现象程度越剧烈。通过探究在不同条件下双U型地埋管换热器管间热干扰现象的变化,发现入口流速大小对换热井内管间热干扰现象发生至第几阶段有决定性作用。当流速低于0.8m/s时,管间热干扰现象会发展至第三个阶段。流速到达0.8m/s后,井内热干扰现象仅发生前两个阶段。流速越小,管间热干扰程度越剧烈。换热井深度越大、回填材料导热系数越高、U型管管间距越大,都会降低管间热干扰程度,并且有助于提高单井出热量的大小,从而提升换热系统的换热效率。实验表明,双U型地埋管换热器管间热干扰现象是由于回填井内部几何空间有限,换热管间距离狭小所引起的,该现象无法避免与消除。当进水管与回水管间发生热量传递,回水管仍保持对外的热量传递,“热回流的热量与回水管传出的热量差值为负时,回水管仍起到散热作用。研究热干扰现象影响因素及发展规律,对优化换热系统设计、提升换热系统换热效率有着重要意义。
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