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非连续运行下u型埋管换热模型试验研究 在土壤源热泵的应用中，地埋管和周围土壤之间的加热和强化是其研究领域的热点。随着机库组的运行，热量继续排入地下或从地下流，土壤温度继续升高或降低，地埋管的换热性能开始衰减。这直接导致水泵系统的运营条件恶化。通过强化地下埋地交换性能，保持土壤温度的快速恢复，是土壤源热泵系统长期高效运行的关键。 为解决上述问题,国内外学者提出了非连续运行控制方案,以给土壤预留温度恢复时间.Stevens分析了间歇运行时埋管内流体与周围土壤间的换热特性,结果表明:间歇运行时埋管传热能力明显得到增强.Choi等比较了非饱和土壤条件下间歇与连续运行时地埋管的换热性能,结果表明:间歇运行明显优于连续运行.Gao等分析了不同间歇运行时间比下埋管周围土壤温度的分布特性,得出合适的间歇运行对提高浅层地热能利用率具有重要意义.Shang等分析了土壤导热性、孔隙率、回灌材料、太阳辐射及风速对间歇运行下土壤温度恢复的影响.Cui等分析了短时间交替供冷、供热运行工况下地埋管换热器的换热特性,结果显示:交替运行可以有效缓解埋管周围土壤的热堆积.Yang等分析了北方气候条件下间歇运行对土壤温度分布特性的影响,结果表明,间歇运行有利于延缓寒冷地区土壤温降速度. 本文通过实验测试与数值模拟,从实验与理论两方面对非连续运行工况下垂直地埋管换热特性进行研究,分析了间歇运行时间比与负荷强度、连续与非连续冷热交替运行及土壤类型对非连续运行条件下埋管周围土壤温度分布特性的影响. 1 实验 1.1 试验方法和测点布置 利用相似理论搭建了U型埋管换热系统模型试验平台.图1给出了试验系统实物图与原理图,系统包括地下换热砂型试验台、恒温水箱、数据采集系统及管路循环系统.其中砂型试验台采用0.8m×0.8m×1.2m木质箱体填充砂土制成,箱体顶部和底部用橡塑保温材料进行保温以模拟一维径向传热.箱体中钻孔直径为60mm,钻孔深度为1200mm,U型管采用内外直径分别为5与6mm的铜管,2个管脚间距为45mm.试验台共布置26个高精度铜-康铜温度测点,其中U型管外壁沿流动方向均匀布置11个测点,以测定埋管内水温变化.U型管周围土壤中在不同半径与深度方向布置15个测点(见图1(b)),上层、中层及下层测点距顶面分别为300,600和900mm,5种不同径向的距钻孔中心距离分别为40,130,220,310和400mm. 1.2 不同运行模式下单位管长换热量的变化规律 实验采用土砂质量比为2∶1的混合物模拟实际的地层,经过热物性测定为均质试验土壤,其物性参数如表1所示. 图2给出了连续运行工况、开停时间比分别为2∶1与1∶1间歇性运行时的上层孔壁温度及单位管长换热量随时间的变化. 由图2(a)可以看出,非连续工况时的平衡温度明显比连续运行时低,且温升率大大降低,这对于改善热泵机组的运行性能极为有利.进一步分析图2(b)可得,连续运行工况下单位管长换热量是逐渐下降的,但下降的幅度逐渐减小.非连续运行模式下单位管长的换热量总体趋势也是下降的,但每次间歇后土壤温度得到一定程度的恢复,因此换热量也有所提高.3种不同运行模式所对应的单位管长换热量分别为50.62,54.51和60.11W/m.2种间歇运行模式下换热量比连续运行模式下分别 提高7.0%和18.8%.这说明间歇时间越长,对土壤换热能力衰减的影响越小,单位换热量越大.由此可以看出,根据建筑负荷特性来合理地调节开停机时间比例,对于改善埋管周围土壤温度变化趋势、弥补地下传热慢的不足、强化地下传热过程,以提高浅层地热能利用效率具有重要价值. 1.3 实验误差分析 1.3.1 测试仪器相对误差 经冰点修正后,测温仪表测试误差ΔT为±0.2℃,本实验中测量的最低温度值Tmin为7.8℃,则该测试仪器相对误差最大值为 ε=ΔT/Tmin=0.2/7.8=2.7% (1) 1.3.2 转子流量计比对误差 LZB-10玻璃转子流量计量程为6~60L/h,精度为2.5级,则该玻璃转子流量计的最大误差为 ΔGmax=60×2.5%=1.5L/h (2) 在测量过程中,最小流量为36L/h,则该流量计的最大相对误差为 ΔGmax/Gmin=1.5/36×100%=4.2% (3) 1.3.3 埋管换热量间接测量误差 埋管换热量的间接测量误差可由以下误差传递公式计算: ΔQQ=√(ΔΤΤ)2+(ΔGG)2(4)ΔQQ=(ΔTT)2+(ΔGG)2??????????????√(4) 于是可得埋管换热量间接测量误差为 ΔQQ=√(0.027)2+(0.042)2×100%=4.99％(5) 2 数值模拟 2.1 土壤导热系二维非稳态导热的数学模型 由于垂直U型埋管几何形状的特殊性和多孔土壤传热的复杂性