不同回填料对哈尔滨地区垂直U型土壤换热器长期供冷影响.docVIP

不同回填料对哈尔滨地区垂直U型土壤换热器长期供冷的影响 　　摘要：本文利用CFD模拟软件Fluent6.2建立了单管垂直U型土壤换热器流固耦合三维非稳态数理模型，针对哈尔滨地区某工艺的特殊要求，对垂直U型土壤换热器长期取冷时，地下温度的变化和分布情况进行了模拟分析。模拟了哈尔滨地区系统连续运行10年，采用不同回填料时流体温度变化情况和土壤温度分布情况，为今后土壤热源长期直接供冷系统的应用研究提供理论基础和技术参考。 　　关键词：U型埋管换热器；长期供冷；稳态；地下温度场 　　 　　0 引言 　　随着社会的急速发展，全世界能源短缺的现象日益加剧，能源问题已成为影响经济发展，甚至涉及国家安全的问题。因此，能源问题已被列为关系到人类生存问题之一。在我国，能源相对匮乏，且能源利用效率低，浪费严重，能源短缺严重制约了我国国民经济的发展，甚至直接影响到了居民??生活，我国政府已将能源问题列为我国经济建设的战略重点，并将节约能源作为经济工作的一项长期任务。 　　在经济、环境、能源等多种因素的影响下，地热能以其独特的优势引起了越来越多的关注。目前,国内对土壤源热泵的研究主要集中在以下5个方面:地下换热器的传热计算模型的建立,地下换热器传热计算的模拟研究,地下换热器的筛选及埋地盘管合理管间距的理论分析,土壤冻结对地下换热器传热的影响,地下换热器间歇运行工况的分析[1]。 　　 回填材料作为U型管换热系统的组成部分，对换热起着重要的作用：一是使U型管与钻井壁紧密接触，以改善换热器与土壤的换热；另一方面是防止地表水通过钻井向地下渗透而污染地下水，同时也防止各个蓄水层之间的交叉污染。传统的回填材料主要是从地质钻探工艺传承下来的膨润土―水混合物，其导热率非常低，仅为0.65～0.9W/(m#8226;K)左右，远远低于岩土层的导热率(1.7～3.4W/(m#8226;K))，对U型管的换热起到了限制作用，不利于传热；而且这种回填材料容易干燥、收缩而导致与U型管脱离，很大程度上影响了换热器的性能。因此，选择合适的回填料对于U型管的传热将有重要的影响。中南大学的包强等人[2]曾对回填料对土壤热泵 U 型埋管换热器短期换热性能的影响进行了模拟，结果表明: 强化换热型回填材料可以大幅度提高钻井换热器的换热能力, 钻井的换热能力随着回填材料导热率的增加而不断提高, 但回填材料导热率并非越高越好, 而是应该稍高于钻井周围岩土层的导。但是对于长期运行的工况，回填料对换热的影响仍有待于进一步研究。 　　本文的主要工作是针对哈尔滨地区某工艺的特殊要求，对垂直U型土壤换热器三维非稳态流固耦合温度场进行模拟分析。研究不同回填料对流体温度变化和土壤温度分布的影响，及对长期工况U型管换热的影响。 　　1 数理模型的建立 　　本文模拟工况是长期供冷工况，模拟地下温度场的变化规律，直到地下温度场趋于稳态时的一种极限工况，并对结果进行分析讨论。循环介质水在地下埋管中循环流动与埋管周围的土壤进行热交换，将热量蓄存到土壤中，系统通过埋地换热器从土壤中吸取冷量，对散热设备进行冷却。此时，换热器管井周围的土壤温度随着循环的运行逐渐升高。埋管的进出口的流体温度也会随之升高，最终趋于稳态，埋管的进出口水温达到一个稳态的定值。 　　1.1 物理模型 　　垂直U 型管土壤换热器与周围土壤的实际温度场之间的传热是一个复杂的、非稳态的过程，它与土壤的类型、热力参数、含水量的多少；埋管的形式及布置方式；埋管与周围土壤接触的紧密程度；系统运行时间；冷热负荷等因素有关。而且该过程所涉及的几何条件和物理条件都很复杂，计算机的运行时间也较长。为了便于分析，必须对问题进行必要的简化。对物理模型做如下简化[3,4]： 　　1）U型管两管间距很小，将两管简化用一根等价管代替，其当量直径为 [5], 为U型管单根管的公称直径。同时认为等价管的管壁与土壤的换热各处均匀； 　　2）忽略接触热阻和管壁热阻。忽略埋管与回填层及回填层与岩土之间的接触热阻，认为土壤与埋管之间的传热为导热方式，且土壤按深度分层，每层土壤的导热系数为常数，土壤与埋管接触良好；同时该问题中由于考虑流体流动的问题，管壁的厚度太小，计算过于繁琐，在此暂且忽略不计。 　　3）忽略土壤中因热湿迁移耦合作用的影响及地下水横向渗流换热的影响而引起的导热系数的变化，认为地下埋管与土壤之间的传热为纯导热； 　　4）假设土壤无竖向传热，即在50米深度处无向下传热热流； 　　5）假设岩土、回填材料、埋管和管中流体的热物理参数为常数，不随时间而变化； 　　6）大地具有很强的蓄热能力，土壤达到一定深度后土壤的温度基本保持某一定值。 　　7）在理论上，埋管对周围土壤温度的影响可达到无穷远处，但实际上，随着离埋管距离的增加，埋管对周围温度场的