本文關(guān)鍵詞：地源熱泵地下?lián)Q熱埋管傳熱特性研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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ENERGY CON SERV AT IO N

2005 年第 6 期 ( 總第 275 期)

土壤源熱泵地下垂直換熱埋管 周圍非穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)值模擬
呂麗霞, 李素芬, 李 亮, 東 明 ( 大連理工大學動力工程系, 遼寧 大連 116024)
摘要: 針對土壤源熱泵地下垂直 U 型換熱埋管, 建立了周圍土 壤的非穩(wěn) 態(tài)溫度場的 數(shù)學模型, 并利 用隱 式有限差分法進行了數(shù)值模擬。通過對制冷和制熱工況的模擬, 得到土壤溫度沿徑向的變化 規(guī)律、 埋管 出水溫度的變化規(guī)律及埋管的熱作用半徑的變化規(guī)律。 關(guān)鍵詞: 土壤源熱泵; U 型垂直埋管; 非穩(wěn)態(tài)溫度場 中圖分類號: T K 523 文獻標識碼: A 文章編號: 1004- 7948( 2005) 06- 0006- 04

1 引言 掌握和了解地下?lián)Q熱埋管周圍的土壤溫度場的 分布是進行土壤源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和經(jīng)濟運行的 關(guān)鍵和前提。隨著土壤源熱泵的啟停及運行時間的 變化, 地下埋管周圍的土壤溫度分布呈非穩(wěn)態(tài)特性。 對地下垂直換熱埋管周圍非穩(wěn)態(tài)溫度場進行數(shù)值模 擬, 有利于合理設(shè)計地下?lián)Q熱埋管的埋深、 數(shù)量及間 距, 對提高熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)和經(jīng)濟性, 降低熱泵 系統(tǒng)初投資具有十分重要的意義。本文建立了垂直

U 型埋管式土壤源熱泵地下?lián)Q熱埋管 周圍非穩(wěn)態(tài) 溫度場的物理和數(shù)學模型, 并用隱式有限差分法對 埋管周圍的溫度場進行了數(shù)值模擬, 分析了影響溫 度場分布和垂直埋管傳熱性能的因素, 為 U 型垂直 埋管式土壤源熱泵的設(shè)計提供了參考依據(jù)。 2 傳熱模型 本文研究的 地下?lián)Q熱 埋管的 結(jié)構(gòu)如 圖 1( a) 、 ( b) 所示。傳熱介質(zhì)在其中流動方向相反, 一進一出 構(gòu)成閉式循環(huán)回路。

( a)

( b)

圖 1 U 型埋管 示意圖

段以充分發(fā)揮市場機制合理配 置資源的基礎(chǔ) 性作 用。即充分依靠法規(guī)和經(jīng)濟政策而不是用過去的行 政手段去促進市場機制以推動節(jié)能。 ( 6) 加強節(jié)能的宣傳教育以提高公民節(jié)能的自覺 性是必要的, 但首先要作好對各地方和有關(guān)部門領(lǐng)導 干部的思想教育。如目前從個人政績觀出發(fā)而保護 落后的違法行為乃影響節(jié)能的最大阻力, 應(yīng)運用/ 三

個代表0重要思想教育解決。即充分說明保護落后是 和代表先進生產(chǎn)力的發(fā)展唱反調(diào); 以權(quán)代法和地方保 護等來源于封建殘余的落后思想又是和代表先進文 化的發(fā)展方向相對立; 保護落后似乎保護了少數(shù)人的 暫時利益, 實質(zhì)上是損害了廣大人民群眾的根本利 益, 所以必須從根本上徹底糾正, 以保持續(xù)節(jié)能。 ( 收稿日期: 2005- 01- 12)

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對于早期的地下?lián)Q熱埋管周圍土壤溫度場的傳 熱模型
[ 1]

214 邊界條件的確定 等效管外壁為第二類邊界條件。當熱泵運行時 9T r q - K = ( 3) g 9r r= r e q 2 P eq r 式中 q ) 單位鉆孔散熱量, W/ m。 - K g 9T r 9r 當熱泵停止時
r= r

, U 型管的等效管徑選取方法單純地考慮

支管管徑, 即取為 2 D 0 , 這一模型由于無法考慮兩 支管的位置對整個換熱過程的影響, 因此比較粗糙。 本文利用回填熱阻等效的思想, 將兩支管簡化為一 個當量的單管, 可以綜合支管管徑以及兩支管在鉆 孔中的位置兩方面的影響。文中對不考慮軸向傳熱 的情況建立了回填材料和鉆孔外土壤的非穩(wěn)態(tài)溫度 場的物理和數(shù)學模型。 211 前提假設(shè) 為簡化起見, 對傳熱模型作如下假設(shè) ( 1) 巖土是均勻的; ( 2) 認為埋管周圍是無限大空間, 不同深度大地 原始溫度一致且不考慮地面換熱; ( 3) 巖土和回填材料熱物理參數(shù)不變; ( 4) 不考慮熱濕遷移的影響; ( 5) 等效管不同深度管外壁的溫度一致, 散熱量 一致; ( 6) 忽略管壁與回填材料、 回填材料與鉆孔壁的 接觸熱阻。 212 導熱微分方法 對于管子外壁與鉆孔壁之間的回填材料 9T r K 92 T r g 1 9T r = ( ) 2 + 9S Q c g 9r r 9r g ( r eq [ r [ r b ) 對鉆孔外的土壤
2 K 92 T s 9T 9 = Qc ( 2 + 2 ) 9S s s 9x 9y T [ 2~ 3]

= 0
eq

( 4)

鉆孔外土壤的遠邊界為絕熱邊界條件, 即 : 9T - K 9x s - K s 215 等效管徑的確定 等效管示意圖如圖 2 所示。 1 回填熱阻 R g = SbK g 1 ln( r b ) Rg = 2Pg K r eq 9T 9y
x= ]

= 0 = 0

( 5) ( 6)

y= ]

( 7) ( 8)

( 1)

( 2)
圖2 等效管示意圖

( 式中

x 2 + y 2 \ r b) 形狀因子[ 4] e ) 、密 度 kg/ m 3 和 比 熱 容 J/ ( kg # e ) ;

K 、 g、 g ) 回填材料 的導熱系數(shù) W/ ( m # g Q c

K、 s、 s ) 土壤的 導熱系數(shù), W/ ( m # e ) 、 s Q c 密度 kg/ m 3 和比 熱 容 J/ ( kg # e ); r eq ) 等效管外徑, m; r b ) 鉆孔半徑, m; T r 、 ) 回填材料和土壤的溫度, e ; T S) 時間, s。 213 初始條件 將原始大地看成是等溫體, 并取大地的年平均 值作為土壤的原始溫度。

r b B1 ) r0 rb 等效管的外徑 r eq = 2 P R e Kg g 式中 r b ) 鉆孔半徑, m; S b = B0 ( r 0 ) 支管半徑, m;

( 9) ( 10)

B0 、 1 ) 幾何參數(shù), 與 U 型管在鉆孔中的布 B 局方式有關(guān)。 216 地下?lián)Q熱埋管內(nèi)有關(guān)溫度的確定 地下?lián)Q熱埋管內(nèi)流體的平均溫度為[ 5~ T a = T eq + q l R pipe 式中 T eq ) 等效管壁的溫度, e ; q l ) 單位管長散熱量, W/ m ; R pipe ) 等效管內(nèi)熱阻, ( m # e ) / W, 且
7]

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R pipe = 式中

ln( r eq / ( r eq - ( r o - r i) ) ) 1 + ( 12) 2Pp K 2 P i hi r h i ) 支管內(nèi)換熱系數(shù), W/ ( m # e ) 。 T o = T a - q / ( 2mc pw ) ( 13)

m 熱泵連續(xù)運行 840h 土壤溫度的變化; 圖 5 為制冷 工況連續(xù)運行 240h 出口水溫的變化。由圖 3、 4 圖 可見, 在相同的運行時間下, 距離埋管越近, 土壤溫 度上升得越快; 隨著運行時間的增加, 埋管周圍的土 壤溫度升幅有所下降。在距離鉆孔中心 014m 處, 熱泵運行初始階段, 土壤溫度迅速上升, 當運行 70h 后, 土壤溫度上升的幅度開始減小; 而在距離鉆孔中 心 115m 處, 熱泵運行初始階段, 土壤溫度幾乎沒有 變化, 當運行 70h 后, 土壤開始受到熱干擾, 土壤溫 度上升較快, 當運行 480h 后, 土壤的溫度升幅有所 下降。由圖 5 可見, 換熱埋管的出水溫度在熱泵運 行初始階段上升較快, 隨著運行時間的延長, 出水溫 度的升幅有所下降, 并逐漸趨于穩(wěn)定。在熱泵運行 的初始階段, 地表面的空氣溫度比較高, 且需要將要 制冷的房間進行冷卻, 換熱溫差比較大, 所以出水溫 度上升得快。隨著運行時間的延長, 需要制冷的房 間室內(nèi)溫度已經(jīng)低于熱泵運行初始階段的溫度, 且 與換熱介質(zhì)之間的溫差有所降低, 所以出水溫度的 升幅會有所下降。當室內(nèi)溫度基本維持在設(shè)定值的 時候, 其與換熱介質(zhì)的溫差基本上維持為一恒定值, 故換熱埋管的出水溫度也基本上趨于一恒定值。由 圖 3、 4 中還可以看出, 對于相同的運行時間, 單 圖

地下?lián)Q熱埋管出水溫度 T o 的表達式為 3 數(shù)值模擬結(jié)果分析 本文應(yīng)用隱式有限差分法求解 U 型垂 直埋管 周圍非穩(wěn)態(tài)溫度場: 根據(jù)隱式差分法的基本原理和 非穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)學模型, 采用 FORT RAN 語言編 制了計算程序, 進行埋管周圍土壤非穩(wěn)態(tài)溫度場的 數(shù)值計算。 文中模擬了制冷和制熱工況土壤源熱泵連續(xù)運 行時地下?lián)Q熱埋管周圍溫度場的分布。模擬結(jié)果如 圖 3~ 8 所示。

圖3

制冷工況埋管周圍溫度場分布

位鉆孔散熱量越 大, 換熱 埋管的出水溫度 也越高。 如運行 60h, 單位鉆孔散熱量為 50W/ m 時出水溫度 為 23148 e ; 單位鉆孔散熱量為 70W/ m 時出水溫度 增加為 27127 e 。

圖 4 制冷工況土壤溫度

圖 6 制熱工況埋管周圍溫度場分布

圖 6、 7 為制熱工況單位鉆孔吸熱量為 20W/ 圖 m 時, 土壤溫度的變化。圖 8 為制熱工況連續(xù)運行 240h 出口水溫的變化。由圖 6、 7 可見, 在相同的 圖 運行時間下, 距離埋管越近, 土壤溫度下降得越快; 且隨著運行時間的延長, 埋管周圍的土壤溫度下降
圖 5 制冷工況出口水溫

的幅度有所降低。在距 離鉆孔中心 014m 處, 熱泵 運行初始階段, 土壤溫度迅速下降, 當運行 110h 后,

圖 3、 4 為制冷工況單位鉆孔散熱量為 70W/ 圖

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復合管在不同換熱量時的熱作用半徑。由圖可知, 埋管的熱作用半徑隨著埋管換熱量的增加而逐漸增 大, 如單位鉆孔散熱量為 50W/ m 時, 埋管的熱作用 半徑為 4112m; 當單位 鉆孔散熱量增 加到 70W/ m 時, 埋管的熱作用半徑也相應(yīng)地增加為 4138m。 4 結(jié)論 ( 1) 給出了一定條件下埋管的熱作用半徑, 為 U 型垂直換熱埋 管的地下管群的設(shè)計提 供了參考依 據(jù)。
圖 7 制熱工況土壤溫度

( 2) 換熱埋管的熱作用半徑隨單位鉆孔散熱量 的增大而增大。 ( 3) 本文等效管模型建立在回填熱阻等效的基 礎(chǔ)上, 充分考慮了支管管徑及兩支管在鉆孔中位置 的影響。 ( 4) 熱泵運行初期, 地下?lián)Q熱埋管出口水溫變化 較快, 運行一段時間后水溫變化平緩, 并逐漸趨于穩(wěn) 定。 ( 5) 對于相同的運行時間, 制冷工況單位鉆孔散 熱量越大, 地下?lián)Q熱埋管出口水溫越高; 制熱工況單 位鉆孔吸熱量越大, 地下?lián)Q熱埋管出口水溫越低。

圖8

制熱工況下出口水溫

參考文獻
[ 1] G u Y, O. N eal D L. Dev elpment of an equivalent diameter ea for ver tical U tubes used in gr ound coupled heat pumps[ J] . A SHRAE T ransactions, 1998, 104( 2) : 347- 355. [ 2] Y avuzturk C. , Spitler J. D. , R ees S. J. . A transient T wo Dimensional finite volume mo del for the simulation of verti cal U T ube gr ound heat ex changers[ J] . ASHRAE T ransac tions, 2001, 107( 2) : 617- 625. [ 3] Deerman J. D. , K avanaug h S. P. . Simulation of vertical U T ube G round Coupled heat pump systems using the cylindrical heat source solution [ J ] . ASHRA E T ransactions, 1991, 97( 1) : 287- 295. [ 4] Y av uzturk C. , Spitler J. D. . Field validat ion of a short time step model for vertical ground loop heat ex changer s [ J ] . A SHRAE T ransactions, 1999, 105( 2) : 465- 474. [ 5] Cane R. L. D. , Forgas A. . M odeling of g round sour ce heat pump performance [ J ] . ASHRAE T ransact ions, 1991, 97 ( 1) : 909- 925. [ 6] 史新慧. 地源熱泵 地下?lián)Q 熱器計 算模擬及 地上機 組節(jié) 能 研究[ D] . 大連: 大連理工大學, 2004. [ 7] 史新慧, 李素芬, 盧立寧 . 套 管式 地下 換熱器 研究 [ J] . 節(jié) 能, 2004, ( 7) : 22- 23. 作者簡介: 呂麗霞( 1979- ) , 女, 內(nèi) 蒙古人, 在讀碩 士, 從事 地

土壤溫度下降的幅度開始減小; 而在距離鉆孔中心 115m 處, 熱泵運行初始階段, 土壤溫度幾乎沒有變 化, 當運行 110h 后, 土壤開始受到熱干擾, 土壤溫度 下降的幅度有所降低。由圖 8 可見, 換熱埋管的出 口水溫在熱泵運行初始階段下降得較快, 隨著運行 時間的延長, 出水溫度下降的幅度有所降低; 對于相 同的運行時間, 單位鉆孔吸熱量越小, 換熱埋管的出 水溫度越高, 如運行 80h, 單位鉆孔吸熱量為 40W/ m 時 的 出 水 溫 度 為 6118 e ; 單 位 鉆 孔 吸 熱 量 為 20W/ m 時的出水溫度為 10109 e 。 文中還模擬了相同埋深、 不同單位鉆孔換熱量 時埋管的熱作用半徑, 如圖 9 所示。

圖9

制冷工況埋管的熱作用半徑

圖 9 中為土壤源熱泵制冷工況連續(xù)運行 840h、 埋深為 4715m、 外徑為 32mm、 壁厚為 3mm 的鋁塑

源熱泵方面的研究。 ( 收稿日期: 2005- 05- 12)

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2005 年第 6 期 ( 總第 275 期)

Key words: Lithium Bromide; absorpt ion; assisting design sof t -

Energy Conservation( Monthly)
Sponsor: L iaoning P rovincial Institute of Science and T echnology Information Publisher: 5Energ y Conservation6M agazine Publishing House Chief Editor: ZHANG We- hua i Address: N o. 274 Qingnian Boulevard Shenyang City L iaoning P rovince China Post Code: 110016

ware; opt imize designing

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Design of the AC photovoltaic water pump system
LI D e -bao This paper introduces t he basic t heory of space -vect or PW M ( SV P WM ) , an d designs the AC phot ovoltaic w at er pump syst em on t he basics of this t heory. The syst em uses the TM PPT mode t o make t he solar bat tery w ork at the most pow er point , and provides t he most energy f or t he load at t he same time. Key words: space vect or PWM ; A C photovolt aic water pump sys tem; TM PPT mode

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Application of chopped wave and inter feeding device to turbine s circulating heatwater supply .
SO NG J- f u, WA NG Wei, WU Chun i -wang In t his art icle, it is int roduced t hat t he t urbine. s circulat ing heatw a ter is applicat ed in cit y. s heat supply, exhaust st eam of circulating st eam pump is reused, and speed cont rol device of circulat ing mot or -driven pump is applicat ed in t he cit y. s heat w at er supply system. The principle of t heir saving energy is analysed, and t he design project of th e system w as also present ed. Key words: chopped ave and int er feeding speed mot or; -w chopped ave and inter f eeding speed cont rol device; t urbine; circulat ing -w heatw at er supply syst em

ABSTRACTS
Jun 2005 N o. 6 Tot al Issue N o. 275

Numerical simulation of the soil temperature f ield around vertically buried pipe of a ground source heat pump L?L- x ia, LI Su en, LI Liang, et al. i -f A t ransient heat t ransf er model of t he soil temperat ure f ield around a vertical U-t ube of ground source heat pump w as est ablished. T he nu merical simulation was obtained by using t he implied f init e dif feren ce m ethod. By making the simulation of cooling and heat ing mode, t he change rules of t he soil t emperature wit h t he radial direct ion, t he change rules of the exit water temperat ure of t he buried pipe and the thermal in f luencing radius in t he vert ical mult- pipe w ere obt ained. i Key words: ground -source h eat pump; vertical U-tube; t ransient t emperature f ield

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CA O Q iu eng -sh This art icle int roduces a new cont rol system f or energy -saving in cent er A / C air condit ioning. Applies various advanced techniques such as f requency conversion, opt imizat ion control, fuzzy cont rol and computer programing, t he syst em has t he charact erist ic t hat tracks t he fluct uant loading. Wit h t he special ex pert syst em soft w are f or management, it w ould be th e developing trend in t he f ield f or energy -saving in cent er A / C air condit ioning. Key words: cent ral air condit ioning; energy -saving; f requency conversion; f luctuant loading

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Discussing the application of booster pump station in engineering
CU I Hong, LI Guo -bin, FEN G Guo hui Through t he engineering. s examples, analyzing t he economy of set ting up some booster pump st at ions in suit able posit ion of hot - water net w ork. Boost er pump st at ions also can be set up in excavat ing pot en tialit y and ref orming the hot w at er net w ork. T hen w e can solve t he grow t h of electric of th e syst em and t he consum er. s overpressure. Find t he met hods of f ixing t he booster pump st at ions and the principle of pa ramet er. Key words: boost er pump st at ion; hot w ork netw ork; overpres sure; heat supply net resist ance loss -

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Used CFD f or the three dimensions numerical simulation of the indirect evaporative cooler
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Radiant cooling ceilings and dwelling house air conditioning Y U W en hong, Y AN G Zhao This paper discusses t he characterist ics of dw elling house air -condi tioning, and t he def ect s of dw elling house air condit ioning system w ith radiant cooling ceilings, such as inner w all dampn ess and forbidding na ture vent ilat ion, t his air condit ioning scheme w oul d not be adopt ed in dw elling house in hot and wet district . Key words: radiant cooling ceil ings; dw elling house; air con dit ion ing design

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Developped assisting design software and optimization analysis was carried out f or absorption cooling system

J IA O Y ong-gang, LU O Yong, ZHA NG Zhu -ping T he sof tw are about t wo eff ect Lith ium Bromide absorpt ion cooling syst em is programmed. A opt imizat ion analysis w as carried out f or t w o eff ect absorption cycles of series f low using a new ly developed simulat ion program. In addit ional, the soft w are can opt imize the designing of t he cooling system, make t he cooling syst em has maximal coef ficient of per f ormance or t he maximal CO A for heat exchanging component s. And op t imizing wit h CO A can int egrat e t he manufacturing cost of t he syst em w it h t he movement cost of t he syst em.

重

要

啟

事

本刊 7 月份將使用新戶名、 新開戶行、 新賬 號: 遼寧省科技情報研究所、 沈陽市商業(yè)銀行火 炬支行、 07031030- 01- 00309- 00425- 4。 原/ 節(jié)能雜志社0的戶名與賬號作廢。



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