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岩土工程视角下岩土分层地埋管换热器传热性能数值模拟研究
时间:2020-08-29 09:35 | 栏目:留学生论文 | 浏览:次
硕士论文网第2020-08-29期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇留学生论文文章《岩土工程视角下岩土分层地埋管换热器传热性能数值模拟研究》，供大家在写论文时进行参考。
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通过以上研究分析可以看出，随着进口速度的增大，地埋管换热器的出口温度逐渐升高即进出口温差逐渐减小，但单井换热量却逐渐增大。分析这种变化原因是因为随着进口速度的增加，单位时间内流经地埋管换热器的换热介质的流量增大，因此单井换热量逐渐增加；随着进口温度的增大，进出口温差逐渐降低，单井换热量同样逐渐增加。分析其原因是地埋管换热器的进口温度增大，换热介质温度与岩土温度的温差增大，增强了地埋管换热器与岩土间的传热。
1. 绪论
1.1 课题研究背景及意义
在全球可再生资源严重匮乏和环境污染日益恶化的双重压力下，开发绿色环保、可再生循环利用的新能源已成为迫在眉睫的问题。由国家统计局统计数据[1]可以看出，2015 年以前，我国能源消费仍以煤炭为主，2015 年煤炭消耗总量占能源总消耗量的 63.7%。2014 年能源消耗总量增长 2.1%，2015 年增长 1.4%，虽然增长率呈下降趋势，但其消耗总量仍在增加，数量庞大，不容乐观。能源消费仍以不可再生能源为主，对可再生能源利用率较低，2015 年仅占总消费能源的12%，对煤炭的依赖性较大，天然气利用率偏低。因此，我国能源消费形式严峻，节能任务艰巨。 随着人们对生活质量要求提高，近年来电力消费量逐渐增加。据统计，我国建筑用能占全国能源消费总量的 30%以上[2]，其中，公共建筑能源消耗数量巨大且存在严重的浪费现象，建筑能耗中采暖空调和热水系统占据了约 40%~60%的份额[3]。 我国环境问题同样面临挑战，温室效应、PM2.5“爆表”事件、城市热岛效应等环境问题严重危害了人们的身心健康。各地政府部门对环境保护的政策方针层出不穷，改善我国生态环境刻不容缓，节能减排及环境改善工作需要各行各业的共同努力。随着城市化的不断推进，我国建筑总数迅速增长，相应配套设施同样急剧增加，毋庸置疑，建筑能耗大幅度增加。鉴于此，寻求一种高效节能、清洁无污染的能源迫在眉睫。 自“零能耗建筑”概念的提出，许多国家将其与空调、采暖及生活用水的能源利用技术相结合，作为实现节约能源和环境保护的重要技术途径[4]。美国环保署提出，设计、安装和运行良好的地源热泵，可以为用户节约 30~40%的空调运行费。高效的土壤源热泵机组，其耗电量仅为普通冷水机组加锅炉系统的30%~60%[5]，温室气体排放量只相当于传统空调系统的 33%[6],节约能源的同时降低了污染物的排放，有利于保护环境。鉴于此，土壤源热泵清洁、高效、可再生能源利用的暖通空调技术得到广泛重视。 众所周知，地热能是一种蕴藏于地球内的可再生能源，是人们青睐的绿色可再生能源。随着我国第一份地热发展五年规划《地热能开发利用“十三五”规划》的印发，标志着我国地热资源开发到了“破茧成蝶”的时期，在地热能应用中土壤源热泵当属其中的“先锋”。 土壤源热泵系统（GSHPs）是利用岩土蓄热放热特性实现夏季制冷/冬季制热的综合技术，具有高效节能、运行稳定、清洁可再生能源利用等特点。对缓解我国能源匮乏以及解决国家经济发展与能源供应不足之间的矛盾无疑发挥着举足轻重作用。随着技术的成熟，土壤源热泵应用领域逐渐扩展，已涉及农业、工业余热、地铁余热等相结合的应用技术。 土壤源热泵是以地埋管换热器作为直接与岩土接触进行取/释热装置，岩土的热物性参数对地埋管换热器以及土壤源热泵系统的设计具有重要意义。目前，国内外土壤源热泵模拟研究多数建立在均质岩土热物性参数的前提下。然而，实际工程地质结构是由多种不同的岩层组合而成，各层岩土热物性并非一致，将岩土结构简化为均质模型与实际情况存在一定的差异。通过资料查阅发现，学者在对换热器周围岩土进行均质处理时通常采用的方法有平均算术法、加权平均法，而分层计算法无疑是和实际最为贴近，不同岩土热物性处理方法对计算结果有一定的影响。土壤源热泵地下换热系统的强化传热研究一直是该领域的热点和重点研究课题，回填材料的研究以实验室配比居多，对钻孔进行分层回填未见报道。虽然回填材料是土壤源热泵研究的重要方向，但地下换热系统是一个复杂的耦合传热过程，影响换热器换热性能的因素较多，参数间的影响关系较为复杂，包强[7]通过实验研究得出结论，考虑到回填材料的经济性，其导热率并非越高越好，而是稍高于钻孔周围岩土的导热系数为最优。 鉴于地下换热系统的复杂性，采用软件对相关研究进行数值模拟是一种具有科学性、先进性以及方便性的技术手段。基于分层岩土结构以强化传热为目的，更全面地分析各因素的影响，充分研究地埋管换热器的传热特性，是系统合理设计及强化传热研究的基础。 综上所述，本文分析了三种岩土热物性参数处理方法的数值计算结果，为土壤源热泵地下换热系统相关模拟研究时岩土热物性参数的简化计算提供参考依据。基于岩土分层结构特点将地埋管换热器划分为相应区段，分析了该岩土结构不同岩土层换热器的区段传热特性以及岩土温度分布规律，对地埋管换热器的设计具有指导意义；采用分层回填方式分析回填材料的导热系数和体积热容对地埋管换热器传热性能以及周围岩土温度变化的影响，对地埋管换热器的强化传热提供理论依据。
1.2 国内外土壤源热泵研究现状
1912 年瑞士学者 H.ZOLLY 首次提出了地源热泵的概念并对此申请了专利，但当时能源应用并不像今日如此紧张，人们并未意识到能源危机的严重性，因此，土壤源热泵的推广及应用处于停滞状态。直到第一次能源危机爆发，相关技术才得到进一步发展[8]。80 年代后期，随着地源热泵技术的逐渐成熟，学者更多地致力于如何提高换热效率的研究。自 1977 年开始，美国开始了以土壤源热泵为核心的研究高潮[9]。下面将从国内外土壤源热泵研究现状进行分类分析。（1）埋管换热器形式研究 地埋管换热器形式的研究上，Bouhacina[10]建立了带有翅片的换热器模型并与光管换热器的传热性能进行对比研究。对套管式换热器的研究表明，在极限范围内增加内管直径可减少换热器的长度[11]。不同形式 GHE 换热性能研究表明，单、双 U 型换热器在相同进口温度及流速条件下，双 U 换热量较单 U 高 23%[12]，串联双 U 与单 U 型换热量差距不明显，但并联双 U 总换热量增加显著。由此可知，不同数量支管及连接方式组成的换热器的换热性能具有较大差别，肖益民[13]设计了如图 1 所示的三根进水管和一根出水管换热器，热阻比单 U 减小 29%～34%，比双 U 减小 10%～15%，在换热面积增加 20%时，钻孔内的热阻降低42.4%[14]。 （2）埋管换热器结构研究 通过对地埋管换热器结构改造，能够起到强化管内侧传热的作用。鉴于此，分别在光滑管上增设翅片、内肋片、内齿螺纹、内螺纹的研究表明[15-17]，翅片管比光滑管的换热能力提高了 7%，肋片管换热效率最佳为光管的 1.33 倍，三种不同高度肋齿螺纹管内的流体进出口温差及换热量均大于光管，进水温度分别为35℃、50℃时，内螺纹的换热器进出水温差比光管分别高出 0.5℃、0.9℃左右。刘艳[18]对螺旋管换热器传热性能研究发现，管内相同流量下，单位质量介质放热量较光管提高 13%，但每延米换热量小于光管。
2. 地埋管换热器传热机理分析与模型的建立
土壤源热泵空调系统的特点是地埋管换热器置于岩土中直接与岩土进行耦合传热，岩土的热物性对地埋管换热器的传热性能具有重要的影响。对实际工程地埋管换热器应用研究分析时，建立与实际情况高度吻合的模型是保障分析结论正确的必要条件，同时也是土壤源热泵空调系统可靠、稳定及经济运行的关键。因此，为了最大限度地发挥土壤源热泵的综合特点及其应用推广，对其模型的建立分析是十分必要及关键的内容。
2.1 垂直单 U 型地埋管换热器的传热机理分析
2.1 垂直单 U 型地埋管换热器的传热机理分析
本文所建立了如图 2.1 所示垂直单 U型三维地埋管换热系统的几何模型主要包括：垂直 U 型地埋管、埋管内换热介质（水）、回填材料及岩土。理论上换热机理包含对流换热、导热及辐射换热，但该模型的主要换热机理应为前两中，辐射换热可忽略不计。
2.2 垂直单 U 型地埋管换热器三维模型的建立
建立更加贴合实际的垂直单 U 型地埋管换热器模型，使计算结果更符合实际情况以及模拟精度进一步提升具有重要意义与工程应用价值。本文参考实际工程普遍采用的数据，确定换热器物理模型的尺寸及不同模型下的具体参数、对模型进行合理简化及条件假设，利用 Workbench 建立物理模型以及 Mesh 组件进行网格划分并对模型进行验证。 地下换热系统是一个极其复杂、三维非稳态的传热过程，考虑网格数量的庞大性以及计算机性能局限性，结合所建模型对称性，本课题研究中仅建立模型的二分之一进行计算。除此外，综合本文研究课题内容，对模型做出了相应的简化及合理的假设，主要包括以下几点假设条件：
（1）传热过程中地埋管、换热流体、回填料及岩土的热物性参数均为常数。
（2）忽略 U 型管、回填材料及岩土相邻壁面之间的接触热阻，即认为地埋管外壁与回填料，回填料与钻孔壁面接触良好。
（3）认为地埋管换热器周围土壤温度恒定且等于其初始温度。
（4）地埋管换热器支管在同一截面处的温度和流速相同。
（5）认为岩土的初始温度均匀一致。
利用 ANSYS 软件建立了垂直单 U 行地埋管换热器的均质岩土、分层岩土及基于岩土分层的匹配回填的三维数值传热模型,其中埋管长度 100m，模型埋深102m，以降低底端边界对换热器传热性能的影响，具体参数如表 2.1 所示。本文的研究对象是单一垂直 U 型埋管换热器，根据《地源热泵系统工程技术规范》规范内容，群管区域中单管之间的间距一般为 3~6m,本模型以直径为 4m 圆形区域作为钻井外的远端边界。几何模型的具体参数如下表所示：
综上所述岩土均质模拟型如图 2.2（a），即 0~102m 范围内的岩土热物性均匀一致。所述分层岩土模型如图 2.2（b），即在均质岩土模型的基础上将 102m 的岩土按照当地的实际地址结构简化分层处理，各层的具体参数见表 2.2 所示；所述分层回填模型如图 2.2（c），即在分层岩土模型的基础上，根据各层岩土热物性特点，对回填孔选择合适的回填材料进行分层匹配回填。
为强化地埋管换热器的换热能力，选择回填材料是其导热系数不应小于岩土的导热系数为最佳[7]，选择良好性能的回填材料是强化地埋管换热器传热的必要技术手段，学者对回填材料的导热性能进行了充分的研究工作。目前，实验或模拟研究较多偏向于以单一材料整体回填井孔，对钻井孔内的回填材料根据埋管换热器周围分层岩土的热物性进行匹配回填的研究未见报道。基于此，本文建立了基于岩土分层的分层回填地下换热系统的三维传热模型，分析换热器性能的变化及周围岩土空间温度分布规律。
3. 不同热物性参数处理方法研究及差异性比对分析
3.1 分层物性参数
3.2 加权物性参数
3.3 平均物性参数
3.4 不同物性参数下换热器性能比对分析
3.5 本章小结
4. 分层岩土地埋管换热器区段传热特性研究
4.1 换热介质沿程温度变化特性研究
4.2 换热器区段换热性能研究
4.3 岩土温度空间分布规律研究
4.4 本章小结
5. 基于分层岩土回填材料对换热器传热性能的影响研究
5.1 回填材料物性参数对换热器传热性能影响的数值模拟
5.2 回填材料物性参数对换热器热短路的影响
5.3 分层回填方式下的岩土温度分布特征
5.4 本章小结
6. 结论与展望
地热能作为清洁可再生能源被土壤源热泵利用，已证明其具有一定的先进性、节能性和经济性。查阅文献总结在数值模拟方面针对岩土热物性参数的不同处理方法，采用不同岩土热物性处理方法进行数值计算，以分层岩土热物性参数为基准，比对计算结果的差异性。结合分层岩土及单 U 型地埋管换热器的结构特点，分析不同区段换热器的换热性能。基于分层岩土，采用分层回填方式，研究不同回填材料热物性对换热器换热性能的影响。
6.1 结论
（1）通过研究三种热物性参数下的计算结果差异性表明，与平均热物性参数相比，加权热物性参数的计算结果与分层热物性参数的相对误差较小，在对岩土热物性参数进行必要简化处理时，推荐采用加权平均法。
（2）在分层岩土换热器内，进口温度一定不同进口速度下介质的沿程温度变化较为明显，与不同进口温度下相比更加趋向于非线性。进口速度一定不同进口温度下介质的沿程温度变化较为平稳，更加趋向于线性变化。
（2）在分层岩土换热器内，进口温度一定不同进口速度下介质的沿程温度变化较为明显，与不同进口温度下相比更加趋向于非线性。进口速度一定不同进口温度下介质的沿程温度变化较为平稳，更加趋向于线性变化。
（3）基于岩土分层换热器区段传热特性研究表明，系统运行 96h 时，由上到下各区段的上升管能效系数与下降管相比下降率分别为：40%、42.9%、49.1%、14.4%，下降管的单位管长换热量比上升管分别大 44.29W/m、53.5W/m、47.84W/m、22.78W/m。由此可知，换热器周围岩土的导热系数越大，与下降管相比上升管的能效系数下降率就越小；各区段上升管单位管长换热量均小于下降管，换热性能最大区段在导热系数最大的岩土层。
（4）针对分层岩土模型换热器周围岩土温度空间分布规律的研究表明，因分层岩土的物性参数不同导致各层径向温度分布呈圆形均匀分布，轴向呈现非统一的变化规律。在设计埋管间距时，应充分考虑岩土分层引起的不同岩土层热影响半径的差异，选择最大热影响半径作为地埋管换热器间距的参考值能减低群管间的热短路现象，利于强化地埋管换热器的传热性能。
（5）采用分层回填方式研究回填材料物性参数对换热器换热性能的影响表明，与基准导热系数相比，三种增大的导热系数单位管长换热量增加幅度依次为：3.5%、8.4%和 12.9%，不平衡系数增加幅度为：7.01%、17.47%和 25.57%。与基准体积热容下相比，三种增大的体积热容单位管长换热量增加量依次为：1.11%、0.41%和 0.07%，不平衡系数降低幅度为：0.1%、0.2%和 0.3%。由此可知，增大回填材料的导热系数单位管长换热量增加，但支管间不平衡性系数也随之增大，增大回填材料的体积热容尽管能够降低支管间的不平衡系数，但对单位管长换热增加甚微。因此，由换热器的强化传热出发回填材料的导热系数和体积热容相比，前者对换热器传热性能起主导作用。
6.2 展望
本文分别在均质模型、非均质模型的基础上对土壤源热泵地下换热系统进行了数值模拟计算，分析了不同岩土物性参数处理方法计算结果的差异性、分层模型下换热器传热性能研究、回填材料热物性参数在分层回填方式下对换热器传热性能的影响；基于分层岩土的结构特点将地埋管换热器划分为相应的区段，对其换热特性进行研究与分析。为进一步扩展土壤源热泵技术的应用领域、还要许多问题有待深入研究：
（1）土壤源热泵系统是一种夏季制冷、冬季制热常年运行的空调系统，本文仅对夏季排热工况进行了短周期的研究。为进一步完善地下换热系统的传热特性研究，还应对长期运行模式下及冬季工况地埋管换热器传热性能的研究。
（2）本文在均质模型、分层模型的基础上，利用 ANSYS 对换热器传热性能影响因素进行了数值模拟研究，下一步还应搭建相应的实验台或对实际工程应用系统的数据采集，利用分层岩土地下换热系统数值模拟结果与实测数据相结合，进一步提高研究内容的说服力。除此之外，还应对模型进一步完善与修正，降低数值模拟与实验、实际工程间的误差，提高数值模拟的精度。
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