地下水渗流对地埋管管群布置方式的影响研究

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地埋管换热器作为土壤源热泵系统的重要组成部分,其换热效果对热泵运行效率有着非常关键的作用,目前已有的土壤源热泵研究少有考虑土壤多孔特性这一重要因素,忽略了土壤中地下水渗流的影响,而在沿海城市或地下水资源丰富的地区存在着大量的地下水,伴随着地下水的流动,土壤温度场会有明显的偏移,且有利于缓解系统长期吸热和排热造成的土壤冷热堆积,对地埋管换热器的换热性能也有着很大的影响。因此,为了对地埋管系统设计方面提供理论依据和模拟参考,本文进一步研究地下水渗流对地埋管传热模型管井布局的影响,以多孔介质传热传质理论和渗透模型为基础,建立纯固体和多孔介质的土壤传热模型,分析地下水渗流对地埋管管群换热效果的影响。利用GAMBIT前处理软件建立模型、划分网格以及FLUENT软件设置边界条件、求解计算,根据上海某工程实例参数,对土壤源热泵夏季和冬季工况进行模拟分析,并通过模拟云图分析了不同排列方式模型和不同间距模型对地埋管换热效果的影响。针对纯固体和多孔介质土壤的区别,模拟得知地下水流动可以缓解热泵长期运行引起的土壤温度不均衡,有利于土壤恢复其初始温度,且有渗流时埋管换热量远远大于无渗流时的换热量。在无渗流土壤工况下,对比顺序排列和交叉排列两种方式,顺排管群换热效果更充分,同时土壤中心区域热量和冷量堆积更严重,中心埋管换热能力下降,不利于热泵长期运行。在渗流工况下土壤温度的差异变为渗流方向上游、中游和下游的区别,下游区域土壤冷量和热量远高于上游区域且换热量最差,中游次之,上游换热能力较好,在不考虑管群铺设面积时,顺排管群优于叉排管群,换热量更大。并且两种形式都存在一个最佳渗流方向使管群换热量最大,交叉排列最佳渗流角度为30°,顺序排列最佳渗流角度为45°。分析地下水流速分别为5e-07m/s、le-06m/s、3e-06m/s时土壤的分布情况,当地下水渗流速度为3e-06m/s时,沿渗流方向热量冷量传递较快,上游管井对下游管井的影响变大,使上、中、下游管井单位井深换热量差距加大,同时在垂直渗流方向上的管井之间影响变小,当地下水渗流速度为5e-07m/s时,热量冷量沿渗流方向上传递较慢,在垂直渗流方向上的管井之间影响较大,由于单位井深换热量随管井间距的增加而增大,此时增大间距可以很好的缓解热泵长时间运行热量冷量的堆积。此外,为了减少管井之间的冷热干扰、增大埋管区域换热量,在渗流方向上可以适当的减少埋管数量、增大管井间距,以减少上游对中游和下游管井的干扰影响,在垂直渗流方向上适当的增大埋管数量、减少管井间距,以完成减少渗流方向上的管井数量的任务,充分利用地下水的流动合理布置管群以达到覆盖面积最小、埋管换热量最大的优化目的。
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