论文部分内容阅读
【摘要】本文主要针对严寒地区太阳能地源热泵中水平地埋管的蓄热规律及水平地埋管周围的土壤温度分布情况进行了数值模拟，并与实验所测数据进行了对比，通过温度分布图直观的反映了水平地埋管周围的温度场分布情况，对今后严寒地区太阳能地源热泵水平埋管铺设方式起到一定的指导意义。
【关键词】太阳能地源热泵；水平地埋管；温度场；数值模拟
1、引言
当今大气污染日益严重，冬季采暖加重了污染程度，寻找清洁能源代替传统的煤采暖方式迫在眉睫，很多学者提出电采暖、土壤源热泵采暖、太阳能土壤源热泵联合采暖等采暖方式。太阳能土壤源热泵采暖方式虽然在很多地方进行了施工应用，但是在我国幅员辽阔，地区气候、土壤、水文条件等差异较大，很多应用案例具有地区局限性，因此技术没能在全国各地得到很好的推广，例如我国北部严寒地区，太阳能资源非常丰富，但是由于地处山区地表以下三米多为碎石，竖直埋管方式费用昂贵，只能采用水平埋管方式。基于此，本课题主要对寒冷地区某太阳能土壤源热泵系统的工程案例的中水平地埋管部分的储热特性进行了初步的模拟研究。
2、水平地埋管传热模型
2.1假设条件
为了便于理论分析，作如下假设：
（1）假定土壤、埋管为均质，且均为各向同性的固体，各物理参数均为常数。
（2）忽略沿管长方向的传热，认为埋管周围土壤温度场为二维不稳定固体导热问题。
（3）忽略由于土壤中水分迁移而引起的热迁移。
（4）因为大地具有很强的蓄热能力，在土壤足够深的地方，温度基本保持某一定值。
（5）假设第一层实际埋管埋深为1.4米，第二层实际埋管埋深为2.2m。埋管直径为30mm，壁厚3mm，远边界半径为3米。
2.2几何模型和网格划分
本模拟的工程案例由于地质原因不适于设计竖直埋管方式，且由于室外可用于铺设水平地埋管的面积有限，因此采用水平蛇形埋管方式，埋管间距300mm。本文根据工程案例建立如图一所示的几何模型。如图一所示，土壤断面ABCD，其中AB为3米，BC为3米深处的土壤边界。上层管中心距上边界1.4m，下层管距上边界2.2米，同层埋管间距300mm；本文根据工程案例建立FLUENT模拟图形，土壤以及地埋管网格划分如图二所示。
3、模拟结果及分析
3.1输入参数的确定
（1）土壤的热物理性参数
假设地下土质为砂岩，其热物理参数如下：
导热系数λS——1.53W/（m·℃）
密度ρs——2400kg/m3
比热 Cs——921J/（kg·℃）
（2）水平地埋管的热物理性参数
水平地埋管选用pvc管材，管径为30mm，其热物理参数为：
导热系数λp——0.19W/（m2·℃）
密度——1230kg/m3
比热——1510J/（kg·℃）
3.2土壤温度场模拟结果分析
如图三和图四不同蓄热时间水平地埋管周边土壤温度分布图所示，在蓄热初期由于地埋管水温远高于周围土壤温度，因温差在每根水平地埋管四周形成圆环状热流，层层向外传递热量，使地埋管周边的土壤温度迅速上升，并形成明显的温度梯度。随着蓄热时间的增长，相邻地埋管之间在与周边土壤进行热交换时会去产生热干扰作用，从而影响地埋管的热量传递方式，管群周围形成椭圆状温度梯度分布图。上层埋管随着蓄热时间的增长管群正上方的温度增长迅速并与土壤表层产生了大量的热交换，非常不利于土壤蓄热。双层埋管之间形成了马鞍状温度分布，并以双层埋管管群为中心形成一个大的圆环梯度图，中心温度高28℃，管群外围温度23.5℃。为了使土壤温度分布更加均匀，提高土壤蓄热量，可以考虑加大上下层埋管间距，并考虑采用交错排布方式。而且从图中还可以看到处于中间的地埋管周围的温度偏高于周边地埋管周围土壤温度，可以考虑采用不等间距的埋管方式或者采用不同的蓄热水温度进行蓄热。
3.3与实验对比分析
沿模拟区域（450，-1600）和（450，1400）两点做水平地埋管的纵向中心线，利用FLUENT计算出温度分布值，具体见图五，并用实验所测的数据进行验证分析。
如图五和图六所示，模拟数据与实验实测数据走势大致相同，但是所测温度普遍低于模拟数据一度左右，可能由于模拟数据采用恒温水蓄热，而实际太阳能蓄热水箱中的水温是波动变化，但是依旧可以证明本课题所建立的模型相对比较准确，模拟结果可以为今后对水平地埋管的优化研究做参考。
水平埋管上下温度以埋管为中心，温度向上下两侧非完全对称递减，在距管中心大概0.2m处，埋管上下两侧递减速度相同，在0.2m以外由于热干扰作用双层埋管间的温度递减速度明显低于双层埋管两侧的温度递减速度。并且随着与管中心距离的增加，土壤温度递减速度逐渐变缓。双层埋管中心的温度高28℃，为了扩大蓄热范围提高蓄热量还可以考虑在今后设计中适当扩大双层埋管间距。
结论：
通过使用FLUENT软件对严寒地区太阳能地源热泵水平地埋管部分蓄热特性的数值模拟研究，可以非常明了的显示出埋管周围土壤温度场的分布和变化情况。采用本双层水平埋管方式可以很好的将太阳能所收集的热量蓄存到土壤中，当进水温度为30℃时，土壤温度可以普遍提高2-6℃，但管群中间土壤温度远高于周边的土壤温度，此温度梯度将不利于水平地埋管的蓄热，且造成热量在管群中心上方散失到大气中。因此在今后的设计优化中为了使土壤温度分布更加均匀，提高土壤蓄热量，可以考慮加大上下层埋管间距，层与层之间采用交错排布方式，同一水平层中考虑采用不等间距的埋管方式或者采用不同的蓄热水温度进行蓄热。
参考文献：
[1]李元旦，魏先勋.水平埋地管换热器夏季瞬态工况的实验与数值模拟.湖南大学学报，1999，（2）：58-63.
[2]齐春华.地源热泵水平埋管地下传热性能与实验研究.天津大学硕士学位论文，2004年1月.
[3]孙婷.水平地埋管换热器的传热性能研究.山东建筑大学硕士学位论文，2009年6月.
[4]周明卫.水平地埋管周围温度场分析及模拟.湖南大学硕士学位论文，2014年1月.
作者简介：
刘宏宝（1991-），男，汉，河北省，硕士研究生，河北建筑工程学院，主研太阳能土壤源热泵方向.
【关键词】太阳能地源热泵；水平地埋管；温度场；数值模拟
1、引言
当今大气污染日益严重，冬季采暖加重了污染程度，寻找清洁能源代替传统的煤采暖方式迫在眉睫，很多学者提出电采暖、土壤源热泵采暖、太阳能土壤源热泵联合采暖等采暖方式。太阳能土壤源热泵采暖方式虽然在很多地方进行了施工应用，但是在我国幅员辽阔，地区气候、土壤、水文条件等差异较大，很多应用案例具有地区局限性，因此技术没能在全国各地得到很好的推广，例如我国北部严寒地区，太阳能资源非常丰富，但是由于地处山区地表以下三米多为碎石，竖直埋管方式费用昂贵，只能采用水平埋管方式。基于此，本课题主要对寒冷地区某太阳能土壤源热泵系统的工程案例的中水平地埋管部分的储热特性进行了初步的模拟研究。
2、水平地埋管传热模型
2.1假设条件
为了便于理论分析，作如下假设：
（1）假定土壤、埋管为均质，且均为各向同性的固体，各物理参数均为常数。
（2）忽略沿管长方向的传热，认为埋管周围土壤温度场为二维不稳定固体导热问题。
（3）忽略由于土壤中水分迁移而引起的热迁移。
（4）因为大地具有很强的蓄热能力，在土壤足够深的地方，温度基本保持某一定值。
（5）假设第一层实际埋管埋深为1.4米，第二层实际埋管埋深为2.2m。埋管直径为30mm，壁厚3mm，远边界半径为3米。
2.2几何模型和网格划分
本模拟的工程案例由于地质原因不适于设计竖直埋管方式，且由于室外可用于铺设水平地埋管的面积有限，因此采用水平蛇形埋管方式，埋管间距300mm。本文根据工程案例建立如图一所示的几何模型。如图一所示，土壤断面ABCD，其中AB为3米，BC为3米深处的土壤边界。上层管中心距上边界1.4m，下层管距上边界2.2米，同层埋管间距300mm；本文根据工程案例建立FLUENT模拟图形，土壤以及地埋管网格划分如图二所示。
3、模拟结果及分析
3.1输入参数的确定
（1）土壤的热物理性参数
假设地下土质为砂岩，其热物理参数如下：
导热系数λS——1.53W/（m·℃）
密度ρs——2400kg/m3
比热 Cs——921J/（kg·℃）
（2）水平地埋管的热物理性参数
水平地埋管选用pvc管材，管径为30mm，其热物理参数为：
导热系数λp——0.19W/（m2·℃）
密度——1230kg/m3
比热——1510J/（kg·℃）
3.2土壤温度场模拟结果分析
如图三和图四不同蓄热时间水平地埋管周边土壤温度分布图所示，在蓄热初期由于地埋管水温远高于周围土壤温度，因温差在每根水平地埋管四周形成圆环状热流，层层向外传递热量，使地埋管周边的土壤温度迅速上升，并形成明显的温度梯度。随着蓄热时间的增长，相邻地埋管之间在与周边土壤进行热交换时会去产生热干扰作用，从而影响地埋管的热量传递方式，管群周围形成椭圆状温度梯度分布图。上层埋管随着蓄热时间的增长管群正上方的温度增长迅速并与土壤表层产生了大量的热交换，非常不利于土壤蓄热。双层埋管之间形成了马鞍状温度分布，并以双层埋管管群为中心形成一个大的圆环梯度图，中心温度高28℃，管群外围温度23.5℃。为了使土壤温度分布更加均匀，提高土壤蓄热量，可以考虑加大上下层埋管间距，并考虑采用交错排布方式。而且从图中还可以看到处于中间的地埋管周围的温度偏高于周边地埋管周围土壤温度，可以考虑采用不等间距的埋管方式或者采用不同的蓄热水温度进行蓄热。
3.3与实验对比分析
沿模拟区域（450，-1600）和（450，1400）两点做水平地埋管的纵向中心线，利用FLUENT计算出温度分布值，具体见图五，并用实验所测的数据进行验证分析。
如图五和图六所示，模拟数据与实验实测数据走势大致相同，但是所测温度普遍低于模拟数据一度左右，可能由于模拟数据采用恒温水蓄热，而实际太阳能蓄热水箱中的水温是波动变化，但是依旧可以证明本课题所建立的模型相对比较准确，模拟结果可以为今后对水平地埋管的优化研究做参考。
水平埋管上下温度以埋管为中心，温度向上下两侧非完全对称递减，在距管中心大概0.2m处，埋管上下两侧递减速度相同，在0.2m以外由于热干扰作用双层埋管间的温度递减速度明显低于双层埋管两侧的温度递减速度。并且随着与管中心距离的增加，土壤温度递减速度逐渐变缓。双层埋管中心的温度高28℃，为了扩大蓄热范围提高蓄热量还可以考虑在今后设计中适当扩大双层埋管间距。
结论：
通过使用FLUENT软件对严寒地区太阳能地源热泵水平地埋管部分蓄热特性的数值模拟研究，可以非常明了的显示出埋管周围土壤温度场的分布和变化情况。采用本双层水平埋管方式可以很好的将太阳能所收集的热量蓄存到土壤中，当进水温度为30℃时，土壤温度可以普遍提高2-6℃，但管群中间土壤温度远高于周边的土壤温度，此温度梯度将不利于水平地埋管的蓄热，且造成热量在管群中心上方散失到大气中。因此在今后的设计优化中为了使土壤温度分布更加均匀，提高土壤蓄热量，可以考慮加大上下层埋管间距，层与层之间采用交错排布方式，同一水平层中考虑采用不等间距的埋管方式或者采用不同的蓄热水温度进行蓄热。
参考文献：
[1]李元旦，魏先勋.水平埋地管换热器夏季瞬态工况的实验与数值模拟.湖南大学学报，1999，（2）：58-63.
[2]齐春华.地源热泵水平埋管地下传热性能与实验研究.天津大学硕士学位论文，2004年1月.
[3]孙婷.水平地埋管换热器的传热性能研究.山东建筑大学硕士学位论文，2009年6月.
[4]周明卫.水平地埋管周围温度场分析及模拟.湖南大学硕士学位论文，2014年1月.
作者简介：
刘宏宝（1991-），男，汉，河北省，硕士研究生，河北建筑工程学院，主研太阳能土壤源热泵方向.