地源热泵技术是有效利用土壤蓄热能力的节能技术之一冬季通过热泵把从 土壤中吸收的热量提高品质后对建筑供暖,同时使大地中的温度降低,即蓄存了 冷量,可供夏季使用;夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地,对建筑降温, 同时在大地中蓄存热量以供冬季使用 使用地源热泵可减少煤的使用量,节约石油!天然气等一次能源,有利于国 家改善能源结构,减少有害气体排放,从而达到保护环境和可持续发展的目标 从这个意义上说,地源热泵是节能!环保的供暖和空调制冷方式 推广和应用地源热泵技术的关键之一在于完善地埋管换热器的传热模型,使 其能更好的模拟地埋管换热器的真实传热过程 报告建立了管内流体以及换热器周围土壤藕合传热模型,模拟了U型埋管内 流体流动和传热!U型埋管与回填材料以及土壤传热的温度场采用建模软件 GAMBIT建立了物理模型,利用数值计算软件FLUENT进行模拟计算本文的创新之 处在于:^1考虑了U型埋管的实际形状,模拟了管内流体的真实流动;o针对西 安地区的气候特点,长期模型采用Profile文件形式输入由建筑动态负荷计算得到 的U型埋管变温度入口边界条件;>>建立物理模型和计算时,考虑了西安地区地 质结构,计算模型的土壤层结构是西安地区实际的地质结构 由于建筑负荷对地源热泵的长期性能有着决定性的作用,因此作者首先利用 DEST软件,分别对西安地区的三种不同类型建筑的动态负荷进行了模拟计算分析; 其次,报告分别建立了竖直U型埋管换热器短期和长期计算模型;最后,利用建 立的模型分别在连续运行和间歇运行工况下,针对制冷季和供暖季换热器分别运 行10天,对U型埋管换热器出口流体温度进行了模拟研究;利用长期模型和由建 筑模型动态负荷计算得到的变温度入口边界条件,针对整个制冷季和采暖季,对U 型埋管换热器出口流体温度及换热器周边土壤的温度场进行了模拟研究最后对 所有模拟结果做出了分析,这对西安地区土壤源热泵的设计及应用具有参考价值 关键词:地源热泵;U型埋管换热器;动态负荷;数值模拟 扮-西安建筑科技大学硕士学位报告 ThefeasibilityStudyforGroundSourceHeatPumPinXi.an SPeeialty:HeatingVentilatingandAirConditioning Name:DuXueli Instruetor:LiangYahong Abstract Ground一soureeheatPumPtechnology15theeffieientwaytouseof5011一storage capacityand15energy一savingteehnologies.Inwinter,thequalityofheatabsothedfrom the501115imProvedbytheheatPumPtoheatthebuilding,whllereducingthe temPeratureoftheearth,that15,aeold15storedforthesummer:insurnmer,heatinthe buildingwastransfertotheearthforbuildingcooling,andheatintheearth15storedfor Wlntefllse. TouseofgroundsoureeheatPumPcanredueetheusingofeoal,save011,natural gasandotherenergy,whiehwillhelPtoimProvetheenergystruetureandreduee hannfulgasemissionstoaehievetheProtectionoftheenvironmentandsustainable develoPment.Inthissense,ground一sourceheatPumP15efficientlyeeonomie, environmentallyfriendlywayofheatingandairconditioning. OneofthekeyPoinisforgroundsoureeheatPumPtechnologyPoPularizationand aPPlication15toimProvetheheattransfermodelofundergroundPIPeheatexehanger,to enablethemtobettersimulateactualheattransferProcessoftheundergroundPIPeheat exehanger. ThemodelofthefluidintheU一tubeandthecouPledthermaleonduetionwasset uP.TheheattransferandflowoffluidintheU一tube,theheattransferbetweenthe U一tubeand5011,andthe5011temPeraturewassimulated.TheGAMBITwasusedto eonstitutePhysiealmodel.TheFluentsofewarewasusedtoearryoutthenumberieal simulationstudy.Innovationofthisarticle15PlacedinthxeePoints.Firstly,theaetual shapeofU一tudewaseonsideredtosimulatetheactualflowoffluidinthetube. Seeondly,elimateeharaeteristicsofXi,anareawaseonsidered,andinlettransition temPeratureboundaryeonditionswasinPutwithuser,5definedfunetionsinlong一term U一tubemodel,whiehwasealeulatedfromthedynamieloadofbuilding.Finally,the geologiealeonditionsinXi.anwereeonsideredwhileintheestablishmentofmodeland caleulation,thestrUetUreofthe5011layerofcaleulationmodel15theaetual5011strueture ofXi,an. D0amieloadofbuilding15desiciveforlong一termnatureof盯oundsourceheat 于西安建筑科技大学硕士学位报告 PumP,therefore,DESTsoftwarewasusedtoealeulatedynamieloadofthreetyPesof construetioninXi,anfirstly;Secondly,thevertiealU~tubeheatexchangerealeulation modelofshort一termandlong一termweresetuP:lastly,ontheheatexehangermodelof! eontinuousandintermittentrunningforeoolingandheatingseason,heatexehangers nm10days,resPeetively,tocalculatetheexPortstemPeratureofU一tubeheatexehanger: touseoflong一termmodelandtransitioninlettemPeraturewhlchwasealeulatedfrom dynamieloadofeonstruetionmodelsforeoolingandheatingseason,andtheU~tube heatexehangerexPortfluidtemPeratureandheatersurrounding5011temPeraturefield weresimulated.Allthesimulationresultswereanalysed,wllich15worthytoguidethe designandapPlieationofgroundsoureeheatPumPinXi.an. Keywords:groundsoureeeheatpump;u一tubeunder盯oundheatexehanger: dynamieload;NumeriealSimulation 声西安建筑科技大学硕士学位报告 目录 1绪论....................................... 1.1课题的研究背景................#..# 1.2地源热泵的发展与研究现状.............. 1.2.1地源热泵的发展............. 1.2.2地源热泵的研究现状.............. 1.2.2.1国外研究现状......# 1.2.2.2国内的研究现状........... 1.3课题的研究内容.............. 2西安地区代表性建筑动态负荷模拟分析......... 2.1代表性建筑冷热负荷分析................ 2.2不同建筑的负荷特征.............. 2.2.1办公楼建筑的负荷特征............. 2.2.2商场建筑的负荷特征............... 2.2.3宾馆建筑的负荷特征..........# 2.3西安地区气候特点及典型建筑负荷特性分析 2.3.1西安地区的气候特征.............. 2.3.2西安地区典型建筑的负荷特性分析.. 2.3.2.1办公楼建筑负荷模拟及负荷特性分析. 2.3.2.2商场建筑负荷模拟及负荷特性分析, 2.3.2.3宾馆建筑负荷模拟及负荷特性分析, 2.4本章小结.......8....................... 3竖直U型埋管换热器设计计算................. 3.1建筑模型描述.........八# 3.2建筑结构...../0. 3.3建筑模型动态负荷计算结果.............. 3.4热泵机组选择..........#. 3.5地热负荷计算............ 3.6地埋管换热器的构造!选型!设计和布置.. 3.6.1地埋管换热器的构造.............. 3.6.2地埋管换热器的设计计算及选型.... 3.7本章小结.............................. 4竖直U型埋管换热器数值模型建立.............. 4.1土壤的初始温度...............# 3 3 4 ...........4 7 7 9 9 9 9 9 lO 1O lO ,;....,.10 1O 12 13 14 15 15 15 15 16 17 17 17 l8 22 23 23 I ,内西安建筑科技大学硕士学位报告 4,2传热模型的前提假设.....................................25 4.3U型埋管换热器短期计算模型及参数设置...................25 4.3.1物理模型..........................................25 4.3.2数学模型..........................................26 4.3.2.IU型埋管壁!土壤及回填材料的传热模型.........26 4.3.2.ZU型埋管内流体流动及对流换热模型............26 4.3.3求解..............................................29 4.4U型埋管换热器长期计算模型及参数设置...................30 4.4.IU型埋管换热器长期计算模型........................30 4.4.ZU型埋管换热器长期计算模型参数设置................30 4.5本章小结...............................................32 5模拟结果分析................................................34 5.IU型埋管换热器短期模型计算结果分析......................34 5.1.1连续模型计算结果分析..............................34 5.1.2间歇模型方案1计算结果分析........................38 5.1.3间歇模型方案2计算结果分析........................38 5.1.4间歇方案1与方案2对比分析........................38 5.1.5间歇2运行工况换热器进出水温度分布...............41 5.2U型埋管换热器长期模型计算结果分析......................41 6结论及展望...................................................46 6.1主要研究结论...........................................46 6.2进一步研究建议及展望...................................47 致谢........................................,...........49