下载文档原格式
《地埋管换热器传热过程的数值模拟研究》——读书报告地埋管换热器的传热计算研究是地源热泵系统的难点，同时也是地源热泵技术的核心和应用基础。
因此，地源热泵技术的推广应用，关键和难点也就在于对地埋管换热器的传热机理及模型进行分析，建立准确的设计计算方法。
北京工业大学的杨刚杰在前人研究的基础上对模型进行了改进，使其能更精确的模拟地源热泵系统，并且从单管模型延伸到管群模型，对地埋管管群的布置方法进行了讨论研究，最后总结规律提出新的地埋管管长计算方法。
下面简要介绍一下文章中提出的优化后的管群数值模型。
在土壤源热泵系统中，单根地埋管换热器埋入地下深度一般为一百米，随着深度的增加，热泵系统的投资成本也随之几何增长。
但实际工程中单根换热器难以满足负荷需求，因此工程会采用由几十根或者上百根地埋管换热器组成的管群来满足工程要求。
为了保证管群换热器能高效率长期运行，必须要设计出合理的管群配置方式，如埋管深度、埋管数量、埋管间距、埋管排列方式等。
埋管太深会增加工程投资成本，埋管间距太小会造成埋管间热干扰印象长期运行和蓄热能力，埋管间距太大会增大工程需求地面面积。
为了综合考虑各个影响因素提高管群的换热效率，有必要建立地埋管换热器管群模型进行模拟，从而得出优化方案。
实际地源热泵工程中的管群排列方法主要有两种，顺排和叉排，其排列方法分别如图 1 所示。
顺排方法是以 4 根管为最小单位组成的正方形排列，每行每列间距相等；叉排方法是以 3 根管为最小单位组成的正三角形排列，每根管与其相邻管的间距相等。
本文选取顺排图 a)中的 3×3 阵列的正方形区域建立了管群顺排模型，选取叉排图 b)中正六边形区域建立了管群叉排模型。
图1、管群排列示意图在地埋管换热器单管模型基础上，利用 Gambit 软件建立管群模型，并且划分网格，方法与单管模型的方法相同，划分好网格之后的模型图如图2 所示：图2、管群模型的网格划分模拟计算分别采用有地下水渗流和无地下水渗流模型，两模型又分别有叉排和顺排两种排列方法，管群的管间距为 3m。
第 54 卷第 10 期2023 年 10 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.10Oct. 2023单井换热性能分析及优化邓宇杰，刘刚，廖胜明(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)摘要：充分考虑管壁的对流换热强化机理，通过流体流动与固体传热综合理论分析，建立单井的岩井换热模型，优化套管井地下结构。
研究结果表明：枝状井网岩井系统因其出水温度和出口截面积远比传统单井系统的大，热利用效率明显提高；蛇形井段可以显著提高系统的换热能力，但由于该结构中相邻井管比较密集，会在换热过程中造成周围岩层温度急剧下降，从而影响系统长期的换热性能；空间换热板型单井系统的换热性能和稳定性都远比其他的单井系统的好，更能适应不同工况下对循环工质不同流速的需求，也更能满足出口温度需求的多样性。
关键词：套管井换热技术；结构优化；数值模拟中图分类号：TK529 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）10-4071-12Single well heat transfer performance analysis and optimizationDENG Yujie, LIU Gang, LIAO Shengming(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: The strengthening mechanism of convective heat transfer in pipe wall was fully considered. Through comprehensive theoretical analysis of fluid flow and solid heat transfer, the rock well heat transfer model of single well and group well were established to optimize the underground structure of casing well. The results show that the outlet temperature and outlet cross-sectional area of the dendritic well pattern are much larger than those of the traditional single well system, the heat utilization efficiency of the dendritic well pattern is obviously improved. The serpentine section can significantly enhance the heat transfer capability of a single well system. However, due to the dense adjacent well tubes, the temperature of the surrounding strata will drop sharply during the heat transfer process, thus affecting the long-term heat transfer performance. The heat transfer performance and stability of the space heat exchanger plate type single well system are far better than those of other single well收稿日期： 2022 −12 −18； 修回日期： 2023 −02−13基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(52076218)；郴州国家可持续发展议程创新示范区建设专项资助项目(2019sfp02)；湖南省自然科学基金资助项目(2018JJ2518) (Project(52076218) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2019sfp02) supported by the National Sustainable Development Agenda Innovation Demonstration Zone Construction Program of Chenzhou; Project(2018JJ2518) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province)通信作者：廖胜明，博士，教授，从事新能源和能源系统工程研究；E-mail ：**************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.10.025引用格式： 邓宇杰, 刘刚, 廖胜明. 单井换热性能分析及优化[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(10): 4071−4082.Citation: DENG Yujie, LIU Gang, LIAO Shengming. Single well heat transfer performance analysis and optimization[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(10): 4071−4082.第 54 卷中南大学学报(自然科学版)systems, which has better adaptability for changes in flow rate and can better meet the diversity of outlet temperature requirements.Key words: cased well heat transfer technology; structure optimization; numerical simulation单井岩井换热系统[1−2](图1)已发展多年，20世纪80年代，欧洲已经出现利用深井换热技术开采中深层地热能为建筑供暖的思想[3]。
地源热泵地埋管换热器传热强化研究综述摘要：根据地源热泵的技术特点以及地埋管换热器的传热特点，表明地埋管换热器与周围土壤间的传热强化是地源热泵系统研究的主要问题之一。
本文将详细介绍了加强地埋管换热器传热的国内外研究成果及研究进展，并在此背景下表明加强地埋管换热器传热有待解决的关键性问题。
关键词：地源热泵、地埋管换热器、传热强化1 前言建筑节能已然成为国家能源战略的一个关键组成部分。
浅层地热能作为建筑空调的冷热源提供者之一，为实现建筑节能提供的新的途径。
地源热泵作为利用浅层地热能的技术手段，具有高效节能、运营成本低、环境效益优异、技术手段多样化等优点，得到广泛应用，其前景非常广阔。
地埋管换热器作为地源热泵系统的核心部件，是与土壤间进行换热的唯一设备。
衡量地源热泵系统的运行效率关键在于地埋管换热器的换热性能。
所以，加强地埋管换热器的传热是提高地源热泵系统运行效率的关键方法。
2 影响地埋管换热的因素地埋管换热器的传热是一个十分复杂的非稳态过程[1]。
地埋管敷设方式、土壤特性、地下水文参数、钻孔相关参数、钻孔回填材料以及地面气象参数都影响着换热器的传热过程。
埋管方式主要有水平埋管和垂直埋管两类，由于水平埋管所占场地面积很大，并且其传热过程受地表温度及大气温度影响较大，所以，实际中往往应用垂直埋管方式。
土壤特性即岩土综合热物性参数及岩土初始平均温度，是地源热泵系统设计和研究过程中的初始参数，直接决定了地埋管换热器的深度、所占场地面积及运行参数。
岩土综合热物性参数主要包括土壤综合导热系数、综合比热容等。
对于某一特定区域而言，岩土的热物性参数和初始平均温度是一定的。
地下水文参数一般指有无地下水渗流。
由于地埋管与土壤的换热过程涉及饱和与非饱和土壤的传热，地下水渗流会及时带走地下土壤中累积的冷热量，影响了地埋管换热器的换热能力，从而影响到整个换热器的长期性能[2]。
钻孔相关参数主要包含钻孔孔径、钻孔间距、钻孔布置形式等，其直接影响地埋管换热器的换热性能。
地埋管换热器的传热模型的进展与分析刘靓侃;李祥立;端木琳【摘要】土壤源热泵研究的核心问题之一就是对于地埋管换热器的传热模型的研究.模型的建立和选择对土壤源热泵和埋管的设计影响重大.本文回顾了国内外不同的地埋管换热器的传热模型及其改进与发展,重点叙述了解析模型的改进,发现目前研究中欠缺对于管群间传热影响的研究,如不同埋管形式、埋管间距之间的热干扰及热堆积等的研究.同时关于土壤特性对于传热的影响的研究不够深入.本文还指出了对于地埋管传热模型的下一步研究重点.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2016(035)001【总页数】5页(P35-39)【关键词】土壤源热泵;地埋管换热器;传热模型【作者】刘靓侃;李祥立;端木琳【作者单位】大连理工大学建设工程学部;大连理工大学建设工程学部;大连理工大学建设工程学部【正文语种】中文土壤源热泵系统经过数十年的发展应用，目前已得到广泛的应用，尤其在我国华北和东北南部地区。
与传统空调系统相比，土壤源热泵系统增加了一个地埋管换热系统，因而在设计上有很大的区别。
而地埋管换热器的传热机理和模型的研究对于土壤源热泵的设计计算非常关键，同时也影响着土壤源热泵的推广应用。
地埋管换热器的传热过程为流体介质与土壤之间的换热过程，其物理模型十分复杂，涉及的影响因素也很多，包括钻孔孔径、回填材料、土壤热物性、地下水流动的影响等。
目前学术上研究及应用较多的是针对竖直U型地埋管的传热模型，由于物理模型的复杂性，其数学模型的建立无不进行相应的简化，使计算简便，同时也降低了模型精度。
这些传热模型大致可以分为三类[1]：第一类是利用解析法推导的数学模型，此类模型计算方法简单，且优于纯经验估计的方法，因此目前工程中多利用此类模型，例如Ingersoll模型[2]、IGSHPA模型[3]等；第二类是采用数值解法的传热模型，随着计算机技术的发展以及各种有限元软件的发展，目前成为传热过程中参数分析的重要工具，但是纯数值解法依旧需要耗费大量计算时间，还不适用于工程模拟，经典的数值模型有NWWA模型[4]、Muraya模型[5]等；第三类是在局部利用解析法求解，部分求解采用数值解法，因而在精度和计算速度上都有不错的表现，如Hellstrom的DST模型[6]、Eskilson模型[7]等。
第52卷第6期2021年6月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.6Jun.2021双U 型地埋管换热器换热性能模拟分析杨培志1，陈嘉鹏1，陈君文2，李明3(1.中南大学能源科学与工程学院，湖南长沙，410083；2.中航长沙设计研究院有限公司，湖南长沙，410014；3.湖南凌天科技有限公司，湖南湘潭，410005)摘要：针对垂直双U 型地埋管换热器，在MATLAB 平台上建立热渗耦合作用下地埋管换热器的三维数值传热模型，并通过岩土热响应试验验证该模型的正确性。
基于建立的三维数值传热模型，分析U 型管内水流速度、回填材料热物性参数、地下水渗流速度及地下水水位对地埋管换热器换热性能的影响。
研究结果表明：当U 型管内水流速度从0.1m/s 增大到0.2m/s 时，可以明显提高地埋管换热器的换热性能；与增大导热系数相比，增大容积比热对提升地埋管换热器换热性能不明显；当地下水渗流速度从0m/a 增大到35m/a 时，地埋管换热器与土壤的换热效果明显；地下水位对地埋管换热器换热性能有较大影响。
关键词：地埋管换热器；三维数值传热模型；地下水渗流；岩土热响应试验中图分类号：TK52文献标志码：A文章编号：1672-7207（2021）06-1733-06Simulation and analysis of heat transfer performance of doubleU-tube ground heat exchangersYANG Peizhi 1,CHEN Jiapeng 1,CHEN Junwen 2,LI Ming 3(1.School of Energy Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China;2.China Aviation Changsha Design and Research Co.Ltd.,Changsha 410014,China;3.Hunan Linten Science and Technology Co.Ltd.,Xiangtan 410005,China)Abstract:A three-dimensional numerical model of double U-tube ground heat exchangers (GHEs)was presented with heat transfer and groundwater seepage in MATLAB platform,which was verified by rock-soil thermal response test.Based on the established three-dimensional numerical heat transfer model,the influence of flow rate of U-shaped tube,thermophysical properties of grout,seepage flow rate and groundwater level on heat exchange performance of GHEs was analyzed.The results show that when U-tube water flow rate is from 0.1m/s to 0.2m/s,DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.06.001收稿日期：2021−01−10；修回日期：2021−03−15基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金面上资助项目(51276226)(Project(51276226)supported by the National NaturalScience Foundation of China)通信作者：杨培志，博士，副教授，从事制冷与空调技术的开发及应用研究；E-mail:*******************.cn引用格式：杨培志,陈嘉鹏,陈君文,等.双U 型地埋管换热器换热性能模拟分析[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(6):1733−1738.Citation:YANG Peizhi,CHEN Jiapeng,CHEN Junwen,et al.Simulation and analysis of heat transfer performance of double U-tube ground heat exchangers[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(6):1733−1738.第52卷中南大学学报(自然科学版)the heat transfer performance of the buried tube heat exchanger can significantly be improved.Increasing the volume specific heat to enhance the heat transfer performance of buried tube heat exchanger is not obvious compared to increasing the thermal conductivity.When groundwater percolation rate is from0m/a to35m/a,the buried tube heat exchanger with soil′s heat transfer effect is obvious.The depth of the groundwater level on the buried tube heat exchanger has greater impact on the heat transfer performance.Key words:ground heat exchangers;3D numerical model;groundwater seepage;rock-soil thermal response test随着全球能源与环境问题的日益突出，能源的高效利用与环保已经越来越受到人们的重视。
地埋管换热器井群换热特性的研究高晓云;郭春梅;白莹霜【摘要】由于区域供热供冷能源站的建设,土壤源热泵系统规模的扩大,地埋管换热器井群的规模也随之扩大至上千口.现有的对于井群换热特性的研究已不适用于大规模换热器井群.本文总结分析了国内外井群传热模型、井群换热特性、井群区域土壤热平衡的研究现状,提出了对于大规模地埋管换热器换热特性研究的必要性及应研究的内容,以提高地埋管换热器的换热效率,保证地源热泵系统运行的稳定性.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2015(034)001【总页数】5页(P75-78,81)【关键词】土壤源热泵;地埋管换热器井群;传热模型;换热特性【作者】高晓云;郭春梅;白莹霜【作者单位】天津城建大学能源与安全工程学院;天津城建大学能源与安全工程学院;天津城建大学能源与安全工程学院【正文语种】中文土壤源热泵是利用土壤的蓄热性能通过介质在封闭的地下埋管换热器中循环流动实现与土壤的热交换，利用土壤能量的新型热泵技术。
由于其绿色、节能、环保的优势，在世界范围内得到了广泛应用。
在我国，土壤源热泵系统在近十年间从示范到普及，工程规模也越来越大，地下换热系统由几百组乃至几千组的地埋管换热器组成。
对于大规模地埋管换热器井群来说，与单井乃至于几十口的小规模井群相比，其换热能力必然有所不同。
地埋管换热器的传热为非稳态传热过程，其传热过程受到土壤热物性、埋管间距、管脚间距、回填材料、土壤初始温度、地下水流动、管内流体物性及流速等诸多因素影响。
目前，关于地埋管传热模型的研究有30余种，按其求解方法分为解析解法、数值解法与解析与数值综合求解法。
但与井群换热特性相关的主要有以下几种。
1）解析解模型IGSHPA（International Ground-source Heat Pump Association）模型是北美计算地下埋管换热器尺寸的标准方法。
此模型以Kelvin的线热源理论为基础，以年最热月和最冷月负荷为计算依据来确定地下埋管的尺寸，并利用BIN能量分析方法计算季节性能系数与能量消耗。
