地下水渗流对竖直埋管换热器的影响研究

2016年全国暖通空调制冷学术年会撰写人：丁路焦玉洗报告人：黎家荣2016年11月11日地下水渗流对竖直埋管换热器的影响研究目录土层内渗流换热影响研究现状渗流地埋管换热模拟研究及结果分析1基于热相似的渗流地埋管试验台搭建介绍23第一节土层内渗流换热影响研究现状土层内渗流换热影响研究现状土层内的渗流水大多数为承压水，承压水主要受水压力的传导作用，流动相对稳定，可近似当作稳态流动，且在实际中经常遇到的主要流型是多孔介质中流体的层流流动，服从Darcy定律，文献中对于渗流的流动也多采用相关公式。一、渗流理论研究土层内渗流换热影响研究现状（1）刁乃仁、方肇洪等通过建立多孔介质中有渗流时的传热能量方程，结合移动线热源理论，得到了有渗流时无限大介质中线热源温度响应的解析解。（2）范蕊、马最良通过建立考虑热传导与地下水渗流综合作用下的地埋管换热器的数值传热模型，采用整体求解的方法得到了管内流体、地埋管换热器及其周围土壤温度场的数值解,。（3）王金香、李素芬等通过建立管内流体及换热器热渗耦合模型，分析了地下水渗流对传热过程的影响、两支管的热干扰作用以及不同回填材料对土壤周围温度场的影响。（4）李新国、赵军等提出并建立了内热源型地埋管换热器热湿传热模型。赵军根据富含水地下土壤层与弱含水地下岩石层建立的稳态下饱和多孔介质理论模型，总结出无因次多孔介质相关参数的传热规律。（5）余延顺以Philip和De.Vries的多孔介质热渗耦合模型为基础，建立了非饱和土壤中地埋管换热器的传热传湿相互耦合的数学模型。国内研究现状土层内渗流换热影响研究现状试验台搭建目的：通过该试验台可以进行不同工况运行测试，得到不同热平衡率条件下的换热器与岩土的温度响应规律，验证三维传热模型的数值解，进而完成岩土蓄能失调模型的数值求解和验证工作，确定理论模型的精度与各种适用范围。二、渗流试验台土层内渗流换热影响研究现状院校哈工大（2006）南京理工大学（2010）长沙理工大学（2012）中国地质大学（2011）华中科技大学（2012）作者范蕊等余延顺、马娟谢武刚刘东林姚翔宇试验台形状长方体长方体圆柱体长方体长方体试验台尺寸（m）0.8×0.6×0.86×0.5×0.5直径1，高13.5×2.5×1.063.0×2.0×4.5渗流方向从上往下从上往下无从左往右从左往右土质砂土黄沙和粘土的混合土粘土白云岩中粗砂砂土土质分层无无有无无埋管数量单U型管单U型管单U型管单U型管单U型管渗流区域全砂箱范围全砂箱范围全砂箱范围全砂箱范围全砂箱范围国内相关试验台搭建现状土层内渗流换热影响研究现状渗流试验台尚待研究之处：（1）具有可控的渗流区域，可研究不同渗流深度及方向下对地埋管换热的影响；（2）在具有不同土质分层的情况下，研究不同渗流深度及方向对地埋管换热的影响；（3）采用双U型管或多组管束的埋管模型，研究不同渗流深度及方向对不同埋管方式的影响。本文研究着眼点渗流位于不同地下深度时对双U型埋管换热器的影响存在地下水渗流的土壤渗流位于不同方向时对双U型埋管换热器的影响技术路线模拟不同渗流流速与孔隙率对地埋管换热器的影响热响应试验实测数据对比验证数值计算模型的正确性建立地下水渗流位于不同地下深度时的地埋管换热器的数值模型建立地下水渗流位于不同方向时的地埋管换热器的数值模型整理模拟结果，分析数据整理模拟结果，分析数据得出结论第二节渗流地埋管换热模拟研究及结果分析实测——热响应测试本次热响应测试的试验换热井位于贵州省贵阳市贵州大学花溪校区，地埋管换热器采用双U型竖直埋管，钻孔直径为140mm，埋管换热器采用直径为32mm，深度为100m的PE管，在测试中，钻孔内流量为1.69m³/h，每根支管的流速为0.3m/s。从钻孔记录中发现在大约40m左右的地层中出现地下水流动的情况。渗流地埋管换热模拟研究及结果分析实测示意图每10m一个测点，共20个。2014年3月23日至25日9:00，共48h，系统每5min采集数据一次。渗流地埋管换热模拟研究及结果分析土壤源热泵测试车内部数据采集系统渗流地埋管换热模拟研究及结果分析物理模型简化：利用UDF将（6）进水管出口与（7）出水管进口连接起来模型建立渗流地埋管换热模拟研究及结果分析地埋管换热器网格划分示意图（a：整体网格划分图，b：土壤平面网格划分图，c：钻孔内平面网格划分图）(a)(b)(c)渗流地埋管换热模拟研究及结果分析鉴于无法准确确定实测地区的地质条件及传热参数，故假设不同渗流速度及不同孔隙率，利用FLUENT软件对同一模型进行多组模拟计算，将各组模拟结果与实测数据进行对比，找出拟合优度最高的一组模型，对其进行验证。经比较后发现孔隙率为0.1，渗流速度为50m/y与实测值最为吻合。√渗流地埋管换热模拟研究及结果分析孔隙率为0.1，渗流速度为50m/y渗流地埋管换热模拟研究及结果分析孔隙率为0.1，渗流速度为50m/y模拟结果与实测结果非常接近，证明所建物理模型可应用于实际工程渗流地埋管换热模拟研究及结果分析不同深度下的地下水渗流对地埋管换热影响分析渗流地埋管换热模拟研究及结果分析不同深度下的地下水渗流对地埋管换热影响分析利用得到验证的模型对不同深度下的地下水渗流影响进行模拟，分别设置四组工况进行研究。渗流条件下，地下水流速取300m/y，孔隙率取0.3。模型说明渗流地埋管换热模拟研究及结果分析工况一：渗流位于上层0~~35m工况二：渗流位于中层-35~-65m工况三：渗流位于中层-65~-100m工况四：不考虑渗流工况示意进水管出水管进水管出水管渗流地埋管换热模拟研究及结果分析-20m处截面-50m-80m（0~-35m）（-35~--65m）（-65~--100m）（无渗流）工况一工况二工况三工况四结果分析存在渗流的工况均优于无渗流工况约为0.5~1℃√渗流地埋管换热模拟研究及结果分析具有递增趋势，符合层换热理论5.8%4.9%2.6%渗流地埋管换热模拟研究及结果分析不同方向下的地下水渗流对地埋管换热影响分析渗流地埋管换热模拟研究及结果分析不同方向下的地下水渗流对地埋管换热影响分析利用验证后的模型对不同方向及不同流速的地下水渗流影响进行模拟，分别设置九组工况进行研究。在地埋管换热器深度范围内均考虑地下水的流动，孔隙率取0.3。模型说明渗流地埋管换热模拟研究及结果分析工况示意工况a工况b工况c渗流地埋管换热模拟研究及结果分析结果分析工况a：自左往右渗流工况b：自右往左渗流工况c：自下往上渗流50m/y150m/y300m/y渗流地埋管换热模拟研究及结果分析渗流流速50m/y√0.1℃地埋管出水平均温度变化图渗流地埋管换热模拟研究及结果分析渗流流速150m/y√0.3℃地埋管出水平均温度变化图渗流地埋管换热模拟研究及结果分析渗流流速300m/y√0.4℃地埋管出水平均温度变化图渗流地埋管换热模拟研究及结果分析√由图表可知，地下水先流经温度较低的出水管，再流经温度较高的进水管时，地埋管的出口平均温度最低，即其换热效果最好。渗流地埋管换热模拟研究及结果分析√渗流地埋管换热模拟研究及结果分析√√√工况a：出水管段换热量百分比相对最少且随流速增加逐渐减少工况b：出水管段换热量百分比相对最多且随流速增加逐渐增大渗流地埋管换热模拟研究及结果分析√引入换热系数K作为评价地埋管换热量的参数，K值越大其换热效果越好。可见，工况b自右向左的渗流方向其换热效果最好，其次为工况c自下向上，再次为工况a自左向右。渗流地埋管换热模拟研究及结果分析模拟研究的初步结论（1）•地下水渗流有利于的竖直地埋管换热器与土壤间进行换热，且渗流流速越高效果越好。（2）•当地下水渗流位于上层土壤中时，其换热效果最好，地下水渗流位于中层时次之，下层土壤再次。（3）•当地下水渗流先流经温度较低的出水管，再流经温度较高的进水管时，其换热效果要好于其余两种渗流方向。渗流地埋管换热模拟研究及结果分析以上结果均来自模拟计算，为证明其正确性，应由相应的实验数据验证。正确第三节基于热相似的渗流地埋管试验台搭建介绍夏热冬冷地区地源热泵系统岩土蓄能失调计算方法与评价研究项目批准号：51576023（1）解决目前渗流在不同地质状况下，不同深度处对换热器的影响。（2）利用相似原理将试验台与实际工程关联起来，为同类工程提供参考依据。（3）基于实验台对比渗流期、饱和期以及无渗流状态下地埋管换热情况，获得土壤温度的热响应规律，以期完善岩土蓄能失调模型。基于热相似的渗流地埋管试验台搭建介绍试验台搭建目的：基于热相似的渗流地埋管试验台搭建介绍试验台搭建思路：相似理论达西定理渗流地埋管系统换热试验台不同地质结构的岩土层温度、流速可控的渗流场热泵系统（或水箱）理论基础建立双U型地埋管换热器包含本实验台基于热相似原理搭建，装有泥与砂。箱内埋设两根U型地埋管，横向敷设。为获得各种渗流工况，用隔板将箱体分为如下图的四部分。（1）通过热泵以及主水箱进行渗流温度可控的实验；（2）通过高、低位水箱进行渗流速度可控的实验；（3）通过隔板分区可进行渗流区域可控的实验。试验台示意图控制方法基于热相似的渗流地埋管试验台搭建介绍工况一工况二工况三无渗流状态下地埋管换热器换热情况岩土饱和状态下地埋管换热器换热情况岩土渗流期地埋管换热器换热情况试验工况（1）对比分析工况一、二可得出在土壤含水量不同的情况下地埋管换热性能差异（2）对比分析工况一、三得出在有无渗流情况下地埋管换热性能差异（3）通过控制工况三中渗流温度，速度以及渗流区域各变量可得出在不同渗流温度，不同渗流速度以及不同渗流区域情况下，地埋管换热性能差异渗流温度可控渗流速度可控渗流区域可控分析方法试验预期结果（1）通过对比不同工况定量分析渗流在全寿命周期内对地埋管换热性能的影响以及土壤热平衡的影响；（2）通过实验台进行不同工况，得到不同热平衡率条件下的换热器与岩土的温度相应规律，验证三维传热模型的数值解；（3）为竖埋管地源热泵系统蓄热失调的有效控制奠定基础。基于热相似的渗流地埋管试验台搭建介绍谢谢大家！