基于岩土分层条件下渗流对竖直地埋管换热性能的影响.pdf

中文摘要 摘 要 竖直地埋管的换热性能是影响地源热泵系统能源利用效率的关键因素，其热 主要来源于地埋管周围的岩土。竖直地埋管周围地质情况复杂，竖向可能会穿 越不同的岩土层，且部分岩土层中存在地下水渗流，从而导致竖向各地质层的换 热能力不同。因此，有必要基于岩土竖向分层研究不同渗流特性对竖直地埋管换 热性能的影响，从而为地源热泵地埋管换热系统设计提供相关的研究基础。 本文基于文献调研得到的承压地下水渗流层分布情况，建立了考虑岩土分层 和地下水渗流的竖直地埋管热渗耦合传热模型，并基于相似原理对传热模型进行 相似转换，得到相似控制条件。当相似模型各材料物性参数与对应的原型相同时， 若速度 （埋管流速和渗流速度）相似倍数与几何相似倍数成反比，时间相似倍数 与几何相似倍数的平方成正比，且两模型（相似模型和原型）定解条件相似，那 么两模型中的竖直地埋管热渗耦合传热现象相似。以某实际地埋管系统为基础， 根据相似控制条件缩小几何尺寸，搭建了与该实际地埋管系统对应的竖直地埋管 相似试验台，该试验台可同时考虑岩土分层和地下水渗流。 通过在岩土分层和地下水渗流条件下竖直地埋管换热的相似试验数据，发现 渗流在岩土分层条件下对上游地埋管的强化换热作用大于处于下游的地埋管。而 且，U 形地埋管进出水支管在空间上相对于渗流方向的位置差异会影响 U 形管进 出水支管的换热量，从而影响地埋管的换热性能。在地埋管停止运行后，由于渗 流对热量的迁移作用，加速了地温的恢复。 建立了与相似试验台对应的相似数值模型和原型数值模型，并通过试验数据 验证后的数值模型，探讨了部分岩土层存在渗流时的等效换热模型的建立方法与 适用条件。通过把渗流对地埋管换热的作用附加到岩土导热系数中，建立了等效 换热模型。该模型在一定条件下能够较好的预测地埋管出水温度，从而简化计算。 通过数值模型分析了部分岩土层存在地下水渗流时，渗流层岩土类型、竖向 位置深度和厚度对地埋管换热性能的影响。在单管换热条件下，保持地埋管进水 温度恒定，连续运行 4 个月，发现随着时间的增加，渗流层对地埋管换热性能的 影响越显著。当渗流层具有不同岩土类型时，渗流对热量的迁移作用不同，导致 地埋管的热影响半径不同。渗流层位于不同竖向深度处对地埋管换热性能的影响 程度与埋管流速相关。当单 U 形地埋管流速取 0.6 m/s 时，沿程水温差异较小，导 致渗流层竖向位置深度对地埋管换热性能的影响可忽略不计。随着渗流层厚度的 增加，出水温度逐渐降低，呈现近似线性的关系。并且，随着出水温度的降低， 会导致接近地埋管出口处的 U 形管支管温度低于周围岩土温度，出现吸热的现象。 I 重庆大学硕士学位论文 由于Pe 数仅反映了渗流层导热和对流作用的相对强弱关系，在地埋管系统设计时， 宜根据实际渗流层竖向位置深度、厚度等因素重新评估渗流层对地埋管的综合换 热作用。 本文结合试验和数值计算的方法，探究了渗流在岩土分层条件下对竖直地埋 管换热性能的影响规律，以期为相关渗流地质条件下的地埋管系统设计提供一定 的参考。 关键词：渗流特性，岩土分层，竖直地埋管，相似试验台，数值模型 II 英文摘要 Abstract The thermal performance of the vertical ground heat exchanger (GHE) is a key factor affecting the energy efficiency of the ground source heat pump (GSHP) system, whose thermal resistance is mainly derived from the rock and soil surrounding the