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地埋管管群水力及换热时空特性试验研究

地埋管管群水力及换热时空特性试验研究

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作者：郑昌金北方工业大学

学位级别：硕士

地热能开发利用是构成我国清洁低碳高效能源体系的重要一环。对于土壤源热泵系统,地埋管管群时空上的土壤热堆积是亟待解决的关键问题之一。时间上,随着运行年限的增加,建筑向土壤储/取热量的差异将不断增大,土壤温度场偏离初始地温的... 详细信息

地热能开发利用是构成我国清洁低碳高效能源体系的重要一环。对于土壤源热泵系统,地埋管管群时空上的土壤热堆积是亟待解决的关键问题之一。时间上,随着运行年限的增加,建筑向土壤储/取热量的差异将不断增大,土壤温度场偏离初始地温的程度也愈发明显;空间上,中心区域土壤温升高于边界区域土壤温升,进一步恶化中心区域地埋管的换热条件。而目前关于土壤热堆积的研究大多忽略地埋管管内传热介质流速差异对地埋管换热的影响,因此,深入探究不同水平管连接方式的水力特性、地埋管换热量和土壤温度场的关系,对缓解时空上的土壤热堆积至关重要。本文首先厘清规范比摩阻计算公式推导过程;其次,搭建土壤源热泵现场测试系统,开展在初始地温和加热工况下地埋管换热器的流量、温度、压降特性试验,得出地埋管修正比摩阻计算公式;再次,探究非集管异程、集管异程、非集管同程、集管同程四种水平管连接方式的流量分配及换热时空特性;最后从时空角度分析了换热量均分和四种水平管连接方式对土壤温度场的影响。研究结果表明:(1)组成地埋管管群之一的双U型地埋管换热器在任意试验井、流量、加热功率和加热时长下,试验比摩阻始终小于规范比摩阻,且二者差值的百分比都大于20%。若采用规范比摩阻设计选型将增大水泵能耗,降低系统效率。依据试验比摩阻推导、拟合、验证修正比摩阻计算公式。修正比摩阻与管内传热介质的密度、动力黏度、流速和管内径的关系为P=0.125rμd.u 。(2)不同水平管连接方式将产生不同的流量和换热量分配趋势,进而导致时空上的土壤热堆积差异。当采用异程连接时,离总干管越近,地埋管流量和换热量越大。系统运行十五年后,土壤温度场在空间上呈现出远近区域的温度分布差异;当采用集管同程连接时,地埋管换热器中间流量小、两边流量大,边界区域与中心区域地埋管井壁处的土壤温度之差相较于地埋管管群换热量均匀分配而言将减小50%,极大缓解空间上的土壤热堆积,有利于土壤温度分布的均匀性;当采用非集管同程连接时,地埋管换热器中间流量大、两边流量小,边界区域与中心区域地埋管井壁处的土壤温度之差相较于地埋管管群换热量均分将增大125%,这将加剧空间上的土壤热堆积。(3)建议采用集管连接方式以缓解空间上的土壤热堆积,若采用非集管连接方式应通过调节二级分集水器阀门以减轻中心区域土壤的换热负担,使土壤温度分布在空间上更加均匀。

关键词：地埋管管群土壤热堆积水平管连接方式水力及换热时空特性修正比摩阻

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