地源热泵热短路特性研究分析.doc

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1、地源热泵热短路特性研究分析摘 要：地源热泵U型管换热器与土壤之间的换热过程非常复杂，而影响换热性能的因素很多，其中U型管之间的热短路造成的热损失就是影响换热器换热性能的一个关键因素。文章以西南交通大学自制的实验台为依托，测试不同流量、进口水温条件下的土壤温度分布。在对实验结果深入分析的基础上，利用Fluent软件进行模拟仿真，分析流速、进口温度对热短路热损失影响，并提出优化建议。关键词：地源热泵；U型埋管；热短路；热量损失地源热泵系统是一种利用地下可再生能源进行能量转换的新型空调系统。本文采用实验与模拟相结合的方法对地源热泵U型管热短路现象进行研究与分析并提出改善热短路现象的建议和措施。1 地

2、源热泵换热器实验研究1.1 我校自制实验台尺寸简介实验台的几何模型为：外筒圆柱体材料为钢板，直径0.8 m，长5 m。埋管为HDPE U型管，外径32 mm，公称壁厚3 mm，U型管两管中心距为110 mm，埋深4.5 m；回填井直径150 mm。1.2 实验台工作原理条件限制实验台只能模拟夏季地源热泵系统工作状况。设置固定的进口水温，通过电加热器加热，将水加热到设定温度。水箱内的水在水泵的作用下流入圆柱形筒体内的换热管中，与周围土壤进行换热，然后又流入水箱进行循环。水箱内的感温探头会自动传输数据至控制系统。1.3 实验方案在不开启循环水系统情况下得到土壤初始温度分布情况。开启水箱加热系统，固

3、定管径DN32，固定流速为0.2 m/s、0.4 m/s，测试进口水温为40 、50 时的土壤温度分布情况，即55个温度测点的温度分布情况。1.4 实验结果分析各种工况下测得的埋管中心两侧0.15 m和0.3 m处土壤温度分布数据见表1。表中 “+”代表出水侧，“-”代表进水侧，温度单位为。1.5 实验结果分析同一进口温度，不同流速对比分析。在同一时刻，较大的流速使得地源热泵U型管内流体与周围土壤的换热也随之加强。但是，随着流速的增加，管内流体与周围土壤的换热时间缩短。同一流速、不同进口温度对比分析。同一流速下，同一埋深处，同一测点上，测点温度明显随进口温度的升高而升高。换热器的换热效率也有所

4、提高。2 实验台数值模拟利用FLUENT软件对上述工况进行数值模拟，对模拟结果进行分析，得出热短路热损失随进口温度变、进口流速变化情况，提出改善热短路热损失现象建议，模拟步骤如下。2.1 网格的划分U型埋管物理变化较大，所以在网格划分时对他进行了加密。U型管管壁的壁厚仅为3 mm，网格划分很困难，所以在网格划分中并没有考虑垂直U型埋管的管壁厚度。最后生成网格数量为180万，网格质量较好，可以达到FLUENT软件的计算要求。2.2 边界条件确定首先对模拟进行假设：视土壤为各向同性均匀介质、忽略外界温度变化对土壤温度的影响、忽略管井与土壤之间的接触热阻，埋管换热器与回填土之间的接触热阻、忽略地下水

5、迁移。整个换热模型在FLUENT中的边界条件设置：地埋管入口边界设置为速度进口边界；出口设置为流出边界；管内流动介质为水，管井区域为回填土，外层为土壤；地表与空气相接触的土壤，以及土壤的远端边界层都设置为wall边界，假设其为恒温壁面边界。2.3 FLUENT计算FLUENT软件在设定好边界条件以及求解器后会自行计算2.4 模拟结果土壤温度场分布情况如图1所示，距离U型管较近的地方温度变化较大。而距离较远的地方温度变化较小。进水侧颜色比出水侧颜色深，意味着进水侧温度高于出水侧温度，这是因为流体在U型管内流动时不断与土壤进行换热，沿流动方向流体温度逐渐降低。3 热短路现象分析单位井深换热量是地源

6、热泵设计中的重要参数，既可以用来评价换热器换热效率，又可以评价热短路损失大小。3.1 单位井深换热量单位井深换热量计算公式如下：（1）式中：q1为单位井深换热量，W/m；为管内流体的密度，kg/m3；Cp为管内流体的比热，J/kg；r为管内半径，m；、Tfin、Tfout为埋管进、出口温度，K；为流体进口流速m/s；H为钻井深度，m。3.2 单位井深换热量计算结果与分析单位井深换热量随温度变化拟合曲线。如图2进口温度为313 K时，单位管长换热量为0.77 W/m，进口温度升高单位管长换热量也逐渐增加。U型管换热器的换热性能随之增高。但是进口温度逐渐增加，拟合曲线逐渐变缓，说明随着进口温度的增

7、加，热短路热损失逐渐变大。单位管长换热量随速度变化拟合曲线。如图3所示，当进口水温为313 K时，流速为0.2 m/s时，单位管长换热量为0.34 W/m，流速为0.4 m/s时，单位管长换热量为0.77 W/m，流速增加，单位管长换热量增加，换热器换热性能增加。但是，曲线逐渐变缓，所以不能一味的提高进口流速来提高换热器的换热性能。3.3 减少热短路热损失措施选择合适进口温度。U型管换热器换热性能随着进口水温的升高而升高，热短路损失也随着进口水温的增大而增大。选择合适进口温度既提高换热器换热性能又可以抑制热短路。选择合适的进口流速。与低流速相比，流体与土壤的换热量减少，使两支管之间流体的温差变

8、小，热短路效应变小；如果较低的流速没有达到旺盛紊流，那么随着流速的增大，流体的湍流效应加强，两支管之间的温差又会随之增大，热短路效应也会随之增大。所以，选择合适的进口流速才可以减少热短路热损失。参考文献：1 徐伟.国际国内地源热泵技术发展趋势摘选中国地源热泵发展研究报告J.供热制冷，2011，（3）.2 刁乃仁，方肇洪.地埋管地源热泵技术M.北京：高等教育出版社，2006.3 唐志伟，时晓燕，黄惠俊.地源热泵U型管地下换热器的数值模拟的准三维模型J.中国农业大学学报，2004（5）.4 刘宪英，王勇.地源热泵地下垂直埋管换热器的试验研究J.重庆建筑大学学报，1999，（5）.5 Gu Yian，ONeal Dennis L.An analytical solution to transie-nt heat conduction in a composite region with a cylindrical heat sourceJ.Trans ASME，1995，（2）.6 范军，刁乃仁，方肇洪.竖直U型埋地换热器两支管间热回流量的分析J.山东建筑工程学院学报，2004，（1）.7 樊燕，王勇，付祥钊.回水管保温对竖直埋管换热器换热性能的影响分析J.中国科技论文在线，2008，（1）.4