1、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,2,3,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
2、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
3、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,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；
4、（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
5、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1.69 m/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
6、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/
7、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035m,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,
8、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0.51,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
9、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/y 150m/y 300m/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,
10、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,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
11、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
12、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
13、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！,
