埋地换热器在渗流中的三维温度场模拟.pdf

第32卷第6期 太阳能学报 Vol。32．No．6 2011年6月 ACTAENERGIAESOLARISSINICA Jun．，2011 文章编号：0254-0096(2011)06-0862-06 埋地换热器在渗流中的三维温度场模拟 龙 会1，余跃进1，封周权2 (1．南京师范大学动力工程学院，南京210042；2．香港科技大学土木及环境工程学系，香港) 摘要：为确定地下水渗流对埋地换热器的影响，建立了考虑地下水渗流的三维有限长线热源模型，综合虚拟热 源法、移动热源法和格林函数法得出了有渗流时半无限大介质中有限长线热源产生的非稳态温度响应的表达式。 通过matlab编程模拟温度场，分析了单个钻孔周围土壤过余温度场。模拟结果发现：地下水渗流引起水平面上温 度场的变形，当昔渗流速度在10“量级时，能有效缓解热堆积；沿钻孔不同深度处的土壤过余温度不同，在钻孔中 部过余温度达到最大。该文中的三维模型可用来研究不同地区、不同土壤分层构造和分层地下水流速等复杂问 题，从而更准确地预测分析实际工程运行后的地下温度场变化，具有重要意义，为进一步研究考虑土壤分层和地下 水分层流动下地埋管周围温度场奠定了基础。 关键词：地源热泵；地下水渗流；埋地换热器；三维传热模型 中图分类号：TK529 文献标识码：A 等。因此对地埋管换热器传热模型的研究是一个复 O 引 言 杂而系统的问题。对单个钻孔的研究可分为钻孔内 垂直埋管地源热泵系统因具有运行费用低、高 的稳态传热和钻孔外的非稳态传热，钻孔内的传热 效节能、对环境友好的特点，广泛用于供热空调系 模型有一维、二维和准三维导热模型[I3|。本文仅研 统。在亚热带地区(如南京、上海等)，制冷负荷大 究钻孔外有地下水渗流的非稳态传热问题，分析地 于制热负荷，存在冬夏取放热不平衡的情况，长时间 下水流动对埋地换热器传热的影响。 运行后将导致地下热量堆积，制冷效率降低，最终出 现供冷不足。地下水流动能缓解土壤的热堆积。因 1模型建立及求解 此，准确模拟包括地下水影响的地埋管钻孔区域的 1．1线热源作用下的过余温度场 性能，是获得最佳系统设计的关键。 如图1所示，在半无限大介质中土壤初始温度 考虑地下水流动的最简单的模型是基于移动线 均为t。。土壤中地下水渗流速度为酩，方向为菇正方 热源概念的线热源模型。近年来国内外关于地下水 向。忽略连接垂直埋管的水平管的埋深和钻孔半 渗流对埋地换热器的影响的研究逐渐增多。国内方 径，钻孑L长度为日，地表温度维持常量t。(也就是土 面，刁乃仁等¨’21利用格林函数法得出解析解；李新 壤初始时刻的温度)。通过土壤的导热，从钻孔表面 国等[3]建立土壤热湿传递模型，采用多孔介质软件 Autough2进行模拟；范蕊等H“1利用有限元法得 吸收或散出热量，热源强度为q。，因此钻孔可看作为 出数值解；张玲等。刊由质量和能量守恒原理得出 垂直于地表，强度为q。的有限长线热源。 传热传湿数学模型；Lee等旧1利用有限差分法对单 利用移动热源法考虑地下水渗流，在分析时将热 井和管群进行了数值模拟。国外这方面的研究较 源看作是不动的，介质(包含土壤固体骨架和地下水) 是移动的。取图1所示直角坐标系，将固定在热源上 多，反映在Claesson等旧J、Chiasson等[10|、Gehlin 等…J、Matthew等¨21的论