垂直地埋管换热器在中砂介质的热传导试验及数值模拟

Along with application of the ground source heat pump system especially underground heat exchanger, some problems also arise, such as thermal effect and the unit operation efficiency dropped after a few years later because of buried pipe heat exchanger design is not reasonable. One of the important reasons for this consequence is lack of standard design and evaluation method. Only when we carries on the corresponding thermal response test that we can get the heat transfer parameters of the study area and we can receive the exact data for reasonably well spacing, the number of wells, the depth of wells and the fill material. In this study, the representatives lithology is medium sand. Thermal response tests under different conditions will be carried out in order to study the influencing factors of soil thermal conductivity, providing the basis for the condition sets of thermal response test. Study of the thermal effect radius of the single U pipe will also be carried out to receive a formula under ideal condition. What's more, we will use method of numerical simulation to simulate the heat transfer process in heat conduction in order to get the distribution of the thermal field.

随着地源热泵系统特别是地埋管地源热泵的推广应用，一些问题也随之出现，比如地埋管换热器设计不合理，使用几年后就出现换热效果、机组运行效率明显下降的情况。导致这一后果的重要原因是缺少标准的设计和评价方法。为了保证地埋管地源热泵系统长期、稳定的换热能力，必须进行相应的热响应试验，了解研究区域土壤的传热参数，才能合理地设计井间距、井数量、井深回填材料配方，才能达到节能减排的效果。 本次研究以中砂为代表岩性，通过在试验场样方中开展不同条件的热响应试验，研究土壤导热系数测量的影响因素，为热响应试验开展过程中条件的设定提供依据；开展单U地埋管热作用半径研究，推导理想模型下热作用半径的计算公式，为地源热泵工程科学合理设计提供参考。开展换热过程中热量传导数值模拟研究，更好的预测地温场的分布和演化特征。

近年来，地源热泵系统在中国应用越来越广泛，但是，一些工程的运行效率降低的问题时有发生。主要的问题在于缺少合理的工程设计，包括地埋管长度、半径、数量的合理设计等。热响应试验是一种现场测试的方法，可以用来估算导热系数，为地埋管的设计提供重要的地下信息。.本次研究建立了热响应试验平台，包括实验主体中砂试验样方、地埋管、土壤水分监测系统、温度监测系统、加热系统。利用试验台，开展了土壤样品测试、土壤初始温度场确定以及热泵连续运行试验研究，分析了土壤参数随土壤含水量变化情况，土壤初始温度分布，热泵连续运行过程中距地埋管换热器不同距离、不同深度土壤温度的变化，为模型的验证提供基础数据。建立数值模拟模型，计算在一定换热量下地温场中温度变化情况。通过不断调试参数，与实测数据进行拟合，建立可靠的模型。以此模型为基础，分析影响土壤温度分布的热响应试验参数：运行时间、加热功率以及导热系数变化对热作用半径产生影响。岩土的综合导热系数为1.09W/m.℃。随运行时间、加热功率和导热系数的增加，影响范围也随之增加。基于线热源的热作用半径理论分析，结合模型预测结果，总结了热作用半径经验公式，与导热系数、比热容，密度、运行时间及单位深度换热量有关。