随着传统能源的消耗日益增多,环境污染问题也变得越来越严重。地源热泵是一种将浅层地热能作为热泵冷热源的空调系统,因其绿色环保、节能高效而得到了广泛的推广和应用。地源热泵系统中换热的关键设备是地埋管换热器(GHE),其埋管形式以及传热性能一直是地源热泵领域研究的热点。相对于垂直地埋管,水平地埋管换热器由于其施工便捷、造价低而受到青睐,但传统的直埋式水平地埋管换热器所占空间较大,换热效率低,从而在一定程度上限制了其应用与推广。因此,提出了一种新型高效的地埋管形式——水平螺旋型地埋管换热器(HSGHE),该种形式的换热器具有换热性能好、施工便捷、成本低等优点,因此逐渐受到关注。本文对HSGHE的传热特性进行了数值模拟和实验测试,探讨了不同因素对其传热特性的影响规律。数值模拟方面,利用COMSOL Multiphysics软件建立了 HSGHE的数值模型,探讨了线圈直径、运行模式、土壤类型、地下水渗流以及长期运行工况对其传热特性的影响规律。结果表明:增大埋管线圈直径,可以增大GHE的总换热量,但会导致单位管长换热量的下降及土壤热影响范围的增大;在以24h为周期的昼夜间歇运行模式下,开启时间越长,GHE的日平均换热量下降幅度越大,埋管水平方向热影响范围越大;土壤类型对传热特性影响较大,从换热性能的角度,岩土换热量最大,其次为沙土,换热量最小的为粘土;但从减小热干扰区域的角度,粘土最有利,其次为岩土,热影响区域最大的为沙土;增大地下水渗流速度有利于提高GHE的总换热量,且相对水平方向,竖直方向上的地下水渗流强化GHE的换热性能的效果更明显;在全年运行工况下,与连续运行模式相比,采用间歇运行模式更有利于提高GHE的换热性能,且两种模式在全年运行结束后均不会存在冷热堆积现象。实验研究方面,对不同条件下HSGHE的换热性能和土壤温度分布的进行了实验测试。结果表明:夏季进口水温的升高和冬季进口水温的降低都会提高HSGHE的换热量,但也在一定程度上加剧了土壤过余温度的变化,因此要依据实际应用情况确定进口水温;减小线圈中心距,可以提高GHE的总换热量,但是单位管长换热量会减小,并增大了对埋管周围土壤的热干扰;地表面风速的增大,强化了地表面与空气间的对流换热,提高了换热器的换热性能,但考虑换热的稳定性以及使用地区的冻土层深度,GHE的埋深不宜较浅;此外,从埋管形式来看,“spiral”型GHE的换热性能优于“slinky”型GHE;且在本文实验条件下,HSGHE的水平方向的热影响范围约为0.4m,深度方向上的热影响范围应大于0.2m。本文主要旨在探讨不同因素对HSGHE传热特性的影响规律,以期为其在工程推广应用中提供理论支持和技术指导。
基本信息
| 题目 | 水平螺旋型地埋管换热器传热特性的理论与实验研究 |
| 文献类型 | 硕士论文 |
| 作者 | 徐瑞 |
| 作者单位 | 扬州大学 |
| 导师 | 杨卫波,殷叔靖 |
| 文献来源 | 扬州大学 |
| 发表年份 | 2020 |
| 学科分类 | 工程科技Ⅱ辑 |
| 专业分类 | 建筑科学与工程 |
| 分类号 | TU83 |
| 关键词 | 水平螺旋型地埋管换热器,数值模拟,实验研究,影响因素,传热特性 |
| 总页数： | 69 |
| 文件大小： | 5778K |
论文目录
| 摘要 |
| Abstract |
| 符号表 |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题研究背景与意义 |
| 1.2 水平螺旋型地埋管换热器的研究现状 |
| 1.2.1 国外研究现状 |
| 1.2.2 国内研究现状 |
| 1.3 本课题的主要研究内容 |
| 第2章 水平地埋管换热器及其传热特性的影响因素 |
| 2.1 水平地埋管换热器 |
| 2.1.1 传统水平地埋管换热器 |
| 2.1.2 水平螺旋型地埋管换热器 |
| 2.2 水平螺旋型地埋管换热器传热特性的影响因素 |
| 2.2.1 结构物性参数 |
| 2.2.2 运行参数 |
| 2.2.3 其他因素 |
| 2.3 水平螺旋型地埋管换热器应用中有待解决的关键问题 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 水平螺旋型地埋管换热器的数值模型 |
| 3.1 COMSOL Multiphysics软件介绍 |
| 3.2 水平螺旋型地埋管换热器的理论模型 |
| 3.2.1 模型简化 |
| 3.2.2 物理模型 |
| 3.2.3 数学模型 |
| 3.2.4 定解条件 |
| 3.3 水平螺旋型地埋管换热器CFD模型 |
| 3.3.1 网格划分 |
| 3.3.2 网格独立性验证 |
| 3.4 模型验证 |
| 3.5 本章小结 |
| 第4章 水平螺旋型地埋管换热器传热特性的数值模拟 |
| 4.1 COMSOL Multiphysics运行参数设置 |
| 4.2 不同因素对换热器传热特性的影响 |
| 4.2.1 线圈直径 |
| 4.2.2 运行模式 |
| 4.2.3 土壤类型 |
| 4.2.4 地下水渗流 |
| 4.3 长期运行对换热器传热特性的影响 |
| 4.3.1 换热量 |
| 4.3.2 土壤温度 |
| 4.4 本章小结 |
| 第5章 水平螺旋型地埋管换热器传热特性的实验研究 |
| 5.1 设计依据 |
| 5.1.1 相似理论 |
| 5.1.2 模型实验 |
| 5.2 实验台简介 |
| 5.2.1 实验系统原理及组成 |
| 5.2.2 实验装置及仪表 |
| 5.2.3 测点布置及热电偶标定 |
| 5.2.4 导热系数测定 |
| 5.3 数据处理及误差分析 |
| 5.3.1 实验数据处理 |
| 5.3.2 实验误差分析 |
| 5.4 实验结果分析与讨论 |
| 5.4.1 不同因素对水平螺旋型地埋管换热器传热特性的影响 |
| 5.4.2 不同方向上换热器传热特性分析 |
| 5.4.3 不同因素对换热器换热效率的影响 |
| 5.5 本章小结 |
| 第6章 结论与展望 |
| 6.1 主要研究结论 |
| 6.2 创新点 |
| 6.3 展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读硕士学位期间发表的学术论文与研究项目及获奖情况 |
参考文献
| [1] 地源热泵系统地埋管施工工艺方案[J]. 居舍 2020(03) |
| [2] 太阳能-地源热泵系统双地埋管群利用方式研究[J]. 热科学与技术 2020(02) |
| [3] 基于试验前提对U形竖直地埋管的数值模拟研究[J]. 建筑技术 2020(05) |
| [4] 考虑土壤分层的竖直埋管换热器传热特性研究[J]. 土壤通报 2020(02) |
| [5] 静力触探法精细化探测深埋管线的研究与应用[J]. 天津建设科技 2020(04) |
| [6] 浅层地热能开发桩间地埋管施工技术[J]. 建筑机械化 2020(09) |
| [7] 地源热泵地埋管换热量影响因素研究[J]. 吉林建筑大学学报 2020(05) |
| [8] 冷却塔辅助地埋管散热运行模式对土壤温度的影响[J]. 扬州大学学报(自然科学版) 2016(04) |
| [9] 热渗耦合作用对温室埋管加热土壤的传热影响[J]. 天津城建大学学报 2016(06) |
| [10] 浅谈重庆市某地埋管地源热泵项目的工程设计[J]. 绿色环保建材 2016(11) |
| [11] 合肥市地埋管地源热泵适宜性分区评价[J]. 城市地质 2017(02) |
| [12] 水平埋管热作用下周围土壤热湿特性实验研究[J]. 暖通空调 2017(06) |
| [13] 机场软基承压水环境下地源热泵埋管施工技术[J]. 山西建筑 2017(24) |
| [14] 地下水流速影响地埋管换热能力的现场试验[J]. 工程勘察 2017(09) |
| [15] 桩基地埋管对土壤温度的影响及换热性能研究[J]. 煤气与热力 2015(11) |
| [16] 地埋管地源热泵系统夏季冷却塔补热研究与实践[J]. 科技传播 2016(15) |
| [17] 试论与桩基结合的地源热泵地埋管施工技术的应用[J]. 中国新技术新产品 2015(04) |
| [18] 地埋管地源热泵系统的热失衡及解决措施[J]. 区域供热 2015(02) |
| [19] 浅析地埋管地源热泵技术[J]. 洁净与空调技术 2013(04) |
| [20] 水平地埋管系统在防护工程中的应用[J]. 防护工程 2017(01) |
| [21] 基于负荷特性的防护工程核心区域地埋管保障分析[J]. 防护工程 2017(02) |
| [22] 地下滴灌埋管深度和水分控制对番茄产量和水分利用的影响[J]. 灌溉排水学报 2015(S1) |
| [23] 中深层套管式埋管换热器逆向传热现象的研究[J]. 山东建筑大学学报 2020(06) |
| [24] 水平地埋管在地铁空调中的应用研究[J]. 建筑热能通风空调 2019(11) |
| [25] 同轴深井地埋管在合肥某大型住宅小区中的应用[J]. 工程技术研究 2019(24) |
| [26] 综合管廊地埋管换热器的全年运行特性分析[J]. 制冷与空调(四川) 2020(01) |
| [27] 地埋管换热器温差及运行份额对换热量的影响实验研究[J]. 资源信息与工程 2020(02) |
| [28] 基于负荷自适应分配的地埋管换热器传热分析[J]. 工程热物理学报 2020(08) |
| [29] 杭州某地埋管地源热泵系统地温场监测与分析[J]. 暖通空调 2020(08) |
| [30] 并联双U型桩基埋管经济流速数值模拟[J]. 建筑科学 2016(12) |
相似文献
| [1]地埋管换热器换热性能数值模拟及实验研究[D]. 李江.长沙理工大学2013 |
| [2]地源热泵系统垂直U型地埋管换热器的实验与数值模拟研究[D]. 郭涛.重庆大学2008 |
| [3]重庆某工程土壤源热泵地埋管换热器夏季间歇运行模式研究[D]. 龚皓玥.重庆大学2014 |
| [4]竖直埋管换热器换热性能模拟分析及工程应用[D]. 廖国庆.合肥工业大学2010 |
| [5]垂直地埋管管群换热器换热三维数值模拟研究[D]. 宋娇.沈阳建筑大学2015 |
| [6]渗流条件下地埋管换热器传热影响因素及优化设计研究[D]. 刘虎.太原理工大学2013 |
| [7]竖直U型地埋管换热器传热与土壤温度场的数值模拟研究[D]. 雷俊.广东工业大学2011 |
| [8]基于热渗耦合模型的U型垂直埋管换热器传热性能理论与设计研究[D]. 聂梦瑶.华东交通大学2018 |
| [9]地埋管换热器管内外耦合及相变换热性能编程研究[D]. 戴骏.长安大学2017 |
| [10]集群竖埋管地热换热器传热简化分析方法研究[D]. 马腾腾.山东建筑大学2015 |
