地埋管换热器作为土壤源热泵系统的一个关键部件,其换热效能直接影响整个土壤源热泵系统的换热效率。本文基于苏州大学全尺寸(100m深)土壤源热泵实验平台和cfd(Computational Fluid Dynamics)数值模拟研究形状(光滑圆管、花瓣管)和材料(高密度聚乙烯PE、不锈钢)对地埋管换热器换热效能的影响,以及不同类型地埋管换热器季节性(冬季、夏季)影响因素和热泵系统综合能效比COP(Coefficient Of Performance)。本文研究思路与方法:首先,本文通过搭建全尺寸土壤源热泵实验平台,实时监测分析各类型地埋管换热器的热响应特性及热泵系统综合能效比COP。然后,本文对各类型地埋管分别建立1:1换热模型,采用k-?RNG模型进行cfd数值模拟,并根据实验数据验证cfd数值模拟的可靠性。最后,本文利用cfd数值模拟进一步系统地探究分析地埋管换热器换热效能的影响因素。实验研究表明,地埋管换热器在夏季工况时的热响应特性均优于冬季工况,例如,钢材料地埋管在夏季工况下单孔每延米换热量比冬季工况高13.8%,PE材料地埋管在夏季工况下单孔每延米换热量比冬季工况高26%;钢材料和PE材料地埋管换热器在夏季和冬季工况时单孔每延米换热量随热泵机组工作运行均有下降趋势;钢材料地埋管换热器热泵系统综合能效比COP比PE管高16%以上。cfd数值模拟研究表明,地埋管换热器在与周围土壤进行换热时,地埋管换热器周围土壤温度会发生变化,且离地埋管越近,土壤温度变化越明显。U型管两支管间距较近且两支管内循环水存在一定温差,U型地埋管换热器两支管之间存在明显“热短路”现象;随着地埋管换热器入口流速的增加,各类型地埋管换热器单孔每延米换热量均增加。实验和cfd数值模拟研究表明,cfd数值模拟结果与实验结果吻合较好,cfd数值模拟可作为研究和设计地埋管换热器的有效工具;改变地埋管形状增加了管内流体湍流热扩散系数,但管内流动阻力损失系数明显增加;光滑圆管换热器在各流速下换热效能均优于花瓣管,且瓣数越多(接近光滑圆管),换热效能越好;钢材料地埋管换热器与周围土壤之间的总热阻比PE管低7%,其热响应特性在各流速下均优于PE管,例如,当入口流速为0.8m/s时,钢材料地埋管换热器单孔每延米换热量比PE管高36%。本文研究成果将进一步为工程中地埋管换热器的优化设计提供参考意见,对降低土壤源热泵系统初投资,推进土壤源热泵技术的发展具有一定的理论和工程实践意义。
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