滲流條件下地埋管換熱器傳熱特性研究

1 概述

地熱能作為一種清潔綠色的可再生能源，有著分布廣泛、儲量大、熱量穩(wěn)定的特點。目前關于豎直地埋管傳熱的研究集中于對單鉆孔的分析

，而對地埋管管群的分析較少，同時國內(nèi)外相關的研究對地下水滲流的因素考慮較少，但地下水滲流的存在會對換熱造成顯著的影響。

本文選取有限長線熱源模型，通過Matlab仿真軟件對有滲流情況下的地埋管管群進行模擬分析，通過對地埋管布管方式及不同工況下的地下溫度場的模擬，分析對地源熱泵系統(tǒng)運行的最有利情況，以期對工程應用提供理論借鑒。

2 地埋管管群傳熱模型

2.1 有限長線熱源模型

.

.

問題描述及幾何模型

地埋管換熱器傳熱分析方法主要有數(shù)值方法和解析方法。數(shù)值方法應用于對地埋管長期運行過程的模擬時計算量巨大，而解析模型簡單易于運算，因此，本文采用管群的有限長線熱源模型

(解析模型)來計算并分析地埋管換熱器的傳熱過程。

本文所研究的地埋管布管區(qū)域為一個長30 m，寬20 m，深100 m的地面以下土壤區(qū)域，有限長線熱源模型包括該土壤區(qū)域以及其中流動的地下水和埋有地埋管并與土壤進行著熱交換的鉆孔。坐標系的

平面位于地面的水平面，模型水平面外輪廓為矩形，坐標原點

位于矩形左下角頂點處，

軸沿矩形長邊方向，

軸沿矩形短邊方向，

軸沿土壤區(qū)域深度方向，

軸正方向豎直向下。點

(

，

，

)為地埋管布管區(qū)域內(nèi)任一點，稱為計算點。地埋管采用單U形PE管，外直徑為0.032 m，內(nèi)直徑為0.026 m。每個鉆孔中都布置1根地埋管，鉆孔半徑為0.075 m，兩鉆孔中心之間的距離稱為鉆孔間距。地埋管總數(shù)取24根，鉆孔總數(shù)為24個，鉆孔最大深度

為100 m。

在冬夏季負荷不平衡地區(qū)，假設每年冬夏季地源熱泵系統(tǒng)各連續(xù)運行90 d，地埋管單位長度承擔換熱負荷記為

。夏季，熱泵系統(tǒng)向土壤中釋放熱量，換熱負荷

為正值；冬季，熱泵系統(tǒng)從土壤中吸收熱量，換熱負荷

為負值。取夏季各地埋管單位長度承擔換熱負荷為30 W/m，冬季各地埋管單位長度承擔換熱負荷為-45 W/m，春秋季系統(tǒng)停運，地下溫度場的溫度會有一定的恢復。本文對鉆孔深度為50 m水平面處(即

=50 m)的地下溫度場進行模擬，根據(jù)地下溫度場的溫度分布，分析不同工況對地埋管管群的傳熱效果的影響。以方案1為例，地埋管管群布置及計算區(qū)域俯視圖見圖1。

(3)根據(jù)未見到釔的獨立礦物、釔的含量在礦石各粒級相對穩(wěn)定、變化不大，和地球化學性質(zhì)，推測釔以類質(zhì)同象存在于磷灰石中。

.

.

假定說明

① 將土壤視為一個均勻、各向同性的半無限大多孔介質(zhì)(包括純土壤和地下水)。在傳熱過程中其物性參數(shù)保持不變，忽略質(zhì)量力、熱輻射影響和黏性耗散。

② 不考慮地埋管與回填材料、回填材料與鉆孔壁間的接觸熱阻。

（3）上班園區(qū)。以商務辦公、商場和會展等建筑為主。在信息技術基礎上，提供便捷、安全和智能辦公環(huán)境進行管理，提供專業(yè)化信息服務。

③ 將埋有地埋管并與土壤進行著熱交換的鉆孔近似地看作是置于半無限大多孔介質(zhì)中的線熱源。

④ 地下水滲流速度均勻，且滲流速度方向僅為沿

軸正方向。

多年來，由于良種指數(shù)的提高，優(yōu)良品種的引用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)獲得了巨大的發(fā)展。氮偏施氮肥使鉀素不足成為作物產(chǎn)量和肥效的限制因素。

.

.

數(shù)學模型

由虛擬熱源法

、疊加原理

、階躍負荷

以及變熱源理論

，可得有滲流情況下地埋管管群布管區(qū)域內(nèi)土壤任一點(點

)的溫度變化

：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

=(1-

)

+

(7)

式中 Δ

——有限長線熱源模型任一點處土壤溫升，℃

方案1～4中，最外圍鉆孔中心與模型邊界的距離均為2.5 m，且4種方案在沿

軸正向上的鉆孔列數(shù)均為6列，列與列之間的水平間距為5 m。其中方案1是將鉆孔在該區(qū)域內(nèi)等間距布置，鉆孔間距為5 m。方案2和方案3中，在同一列里的兩鉆孔之間沿

軸方向等間距布置，其中鉆孔數(shù)量為6個時，鉆孔間距為3 m；鉆孔數(shù)量為4個時，鉆孔間距為5 m；鉆孔數(shù)量為2個時，鉆孔間距為15 m。方案4中，每列鉆孔數(shù)量為6個或者2個時，其布置方法同方案2；對于鉆孔數(shù)量為4個的兩列，靠內(nèi)的鉆孔與其

方向上最近鉆孔的鉆孔間距為3 m。

——鉆孔的編號，共

個

2.改革開放40年中國住房市場的調(diào)控和非市場化的住房供給。經(jīng)過改革開放20年住房市場化探索和房地產(chǎn)市場的培育，到21世紀初，中國房地產(chǎn)市場逐步形成和成熟。與之相應，住房投資和投機過度等現(xiàn)象相伴而生，從21世紀初開始房價飛速上漲，高房價導致市場經(jīng)濟條件下的購房難，購房難導致民眾購房負擔沉重進而帶來新型住房難，使住房供給嚴重偏離民生需求。與此同時，房價飛速上漲還波及金融穩(wěn)定和安全，甚至帶來系統(tǒng)性金融風險。出于改善民生和金融安全的考慮，國家從2003年開始，一方面持續(xù)出臺房價調(diào)控政策，另一方面加大非市場化的保障房供給力度。

——以d為單位時對時間編號的最大值

——時間的編號

,+1

——第

個鉆孔

+1

時單位長度承擔的換熱負荷，W/m

對于已經(jīng)發(fā)生功血的患者,更要加強護理。本研究通過回顧性分析50例功能失調(diào)性子宮出血患者的臨床資料,得出結(jié)論:全面有效的護理干預能夠提高功能失調(diào)性子宮出血的臨床治療效果,提高患者對護理的滿意度,值得臨床推廣應用。

,

——第

個鉆孔

時單位長度承擔的換熱負荷，W/m

①醫(yī)師要多與患者交流，向患者詳盡介紹用藥注意事項及藥品潛在不良反應的自我預防和監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)風險及時上報。②臨床藥師應積極與醫(yī)師和藥師進行交流，記錄患者用藥后的不良反應及病情變化，并主動及時反饋給主管醫(yī)師，為患者制定最優(yōu)治療方案[18]。③臨床藥師應注意收集患者的不良反應和用藥錯誤問題，做到用藥前提前預防、用藥時及時交代、用藥后及時反饋。臨床藥師如發(fā)現(xiàn)患者在治療中出現(xiàn)不良反應，應立即上報，不得隱瞞。④院方應主動開設患者咨詢窗口，為患者提供及時便利的咨詢服務，指導患者正確用藥，如藥品的用法與用量、藥品的貯存方法、潛在的副作用和藥品與藥品之間的相互作用等。

——多孔介質(zhì)熱導率，W/(m·K)

——地下水滲流速度，m/s

,

——計算點到第

個鉆孔

方向的距離，m

——中間變量

——鉆孔最大深度，m

在進行實驗之前還有一些準備工作需要進行，搜集患者在院治療糖尿病的各項身體數(shù)據(jù)，并將其進行整理，方便和之后的情況進行對比。做好患者的心理工作，讓患者明確認識到糖尿病自我管理模式健康教育的重要性，降低患者的抗拒心理。在本次的實驗過程中，對照組中有6例患者，比較抗拒健康教育，通過醫(yī)護人員的耐心開導，最終使其配合健康教育工作進行。

——計算點離第

個鉆孔的水平距離，m

——中間變量

——中間變量

——中間變量

——多孔介質(zhì)熱擴散率，m

/s

——線熱源(鉆孔)上任一點的深度，m

——計算點的橫坐標，m

式中

——有限長線熱源模型任一點土壤溫度，℃

——計算點的縱坐標，m

——第

個鉆孔的縱坐標，m

.

.

求解設置

——時間(第

天)，d

——時間(第

天)，d

——多孔介質(zhì)孔隙率

采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件包對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，計量資料采用xˉ±s表示，多組計量數(shù)據(jù)間比較采用F檢驗，組間比較采用SNK-q檢驗；計數(shù)資料采用卡方檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。采用回歸分析的對數(shù)曲線估計繪制學習曲線。

——純土壤的熱導率，W/(m·K)

采用Matlab軟件進行求解，以經(jīng)典的淺層地源熱泵換熱器案例作為研究對象

，其鉆孔及土壤參數(shù)見表1。

第三，加強疫苗免疫工作。疫苗免疫是我們控制雞群發(fā)病尤其是病毒性疾病的重要措施，免疫工作的好壞直接決定了雞群的發(fā)病率、成活率和產(chǎn)蛋率，但免疫往往會受到多種因素的限制，比如疫苗的品質(zhì)、毒株的類型、免疫的時機、免疫操作的規(guī)范以及蛋雞機體對于免疫的應答反應等，許多時候雞群的免疫系統(tǒng)由于應激、疾病、毒素等多方面的影響，會發(fā)生免疫抑制，這都有可能影響到免疫的效果。

2.2 各項設置

——計算點的豎坐標，m

——地下水的熱導率，W/(m·K)

.

.

初始條件

=

(

=0)

根據(jù)掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)由用可編程控制計算機，遠程監(jiān)控平臺，數(shù)據(jù)采集器以及組態(tài)軟件構(gòu)成。其中，PCC作為機載控制系統(tǒng)完成掘進機各基本動作的控制；通過組態(tài)軟件完成人機交互界面的搭建以及PCC數(shù)據(jù)的采集、儲存與處理工作。監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(8)

——第

個鉆孔的橫坐標，m

——土壤初始溫度，℃

.

.

邊界條件

(9)

=

(

=0)

馬克思在晚年關于東方社會的思考中，曾明確指出在特定的的歷史環(huán)境下俄國等落后民族跨越資本主義制度“卡夫丁峽谷”并“吸取資本主義制度所取得的一切肯定成果”的可能性。值得指出的是，馬克思的“卡夫丁峽谷”指的是資本主義制度這一社會形態(tài)，而不是資本的發(fā)展階段。所以，對于落后民族來說，無論以何種路徑進入世界歷史，都無法回避資本以及如何處理與資本的關系這一現(xiàn)實問題。

(10)

3 管群布置分析

3.1 布置方案

考慮到地下水滲流這一因素，在保證地埋管布管區(qū)域大小以及地埋管總數(shù)不變的情況下，改變地埋管在該區(qū)域內(nèi)的布管方式。討論布管方式對地埋管換熱器傳熱的影響，分析得出一種較好的布管方式。由于地下水滲流的影響，地下水的流動會帶動冷熱量沿

軸正方向移動，從而使得冷熱量在離

軸較遠處累積較大，由此方案2將鉆孔在靠近

軸處設置較多，遠離

軸處設置較少。方案3為方案2的對照組?？紤]到地埋管布管區(qū)域外圍散熱效果比中心要好，設置了鉆孔沿外圍布置的方案4。方案1的布管方式俯視圖見圖1，方案2～4的布管方式俯視圖見圖2。

——鉆孔總數(shù)

3.2 布管方式對傳熱效果的影響

在運行年限取5 a，其他物性參數(shù)同表1的情況下，通過Matlab軟件分別模擬計算了4種不同布管方式時地埋管布管區(qū)域的地下溫度場。不同方案下地下溫度場分布(軟件截圖)見圖3～6。

形成電磁干擾的基本要素分別是干擾源、傳播路徑和敏感器件，抗干擾設計就是要針對這3個要素分別采取防范措施，切斷或降低干擾信號對接收端敏感器件的影響[8]。鑒于干擾源無法徹底杜絕，時間同步電路的抗干擾設計重點是對信號傳輸過程的保護和選用抗干擾能力強的器件。

其中，方案1的最高溫度較低，為14.98 ℃，最低溫度較高，為9.52 ℃，地下溫度場溫度分布較均勻。而方案2～4的最高溫度均不低于方案1的最高溫度，最低溫度低于方案1的最低溫度，最高溫度與最低溫度之差均大于方案1。且方案2在地埋管布管區(qū)域上游冷量累積較嚴重，方案3在地埋管布管區(qū)域下游冷量累積較嚴重，方案4在地埋管布管區(qū)域外圍有冷量累積，地埋管布管區(qū)域中心有熱量累積。只有方案1的地下溫度場溫度分布較均勻，相比其他3種方案，方案1的地埋管布管方式更有利于減緩地埋管布管區(qū)域的冷熱量累積效應。因此，在地埋管布管區(qū)域及地埋管總數(shù)不變的情況下，將地埋管等間距布置在布管區(qū)域內(nèi)，即方案1的地埋管布管方式最有利于地源熱泵系統(tǒng)的運行。

4 不同工況對地埋管管群傳熱的影響

4.1 運行年限對傳熱效果的影響

選取方案1的布管方式，在其他物性參數(shù)不變(同表1)的情況下，通過Matlab軟件分別模擬計算出運行年限為1 a、5 a、10 a時對布管區(qū)域傳熱效果的影響。運行年限為5 a的地下土壤溫度場分布見圖3，運行年限為1 a和10 a時的地下土壤溫度場分布(軟件截圖)見圖7、圖8。

運行年限不同時，地下溫度場內(nèi)溫度最高值基本相同，且土壤溫度最高值均出現(xiàn)在布管區(qū)域的上游部分，這是因為在地下水滲流的作用下，地埋管布管區(qū)域上游的冷熱量會隨地下水流動向布管區(qū)域下游移動，地埋管布管區(qū)域上游土壤溫度變化穩(wěn)定，幾乎不受冷熱量累積效應的影響。運行年限為1 a時，地下溫度場平均溫度與最低溫度都相對較高，這是由于運行年限為1 a時運行時間較短，僅僅經(jīng)歷了一個冬夏季，此時的地埋管布管區(qū)域冷熱量累積較少，對該地區(qū)土壤的影響也較小，在土壤溫度常年保持15 ℃的情況下，冷熱量累積效應并未對該地埋管布管區(qū)域造成過大的影響。

孫莉軍介紹到，當前，工業(yè)區(qū)已建立起一個立體的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，不僅對地面的生產(chǎn)企業(yè)實行監(jiān)控，而且對大氣實施自動監(jiān)測。通過與國家安全科學研究院合作，工業(yè)區(qū)在30家重點企業(yè)周圍安裝VOCs網(wǎng)格化監(jiān)控系統(tǒng)傳感器，依托監(jiān)測體系的實時數(shù)據(jù)，分析各項污染物濃度趨勢，形成月度報告，為改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量提供依據(jù)。同時，工業(yè)區(qū)推進雨水三級應急體系建設，包括24個入河口水閘，企業(yè)雨水應急閥門和河道聯(lián)閘聯(lián)控系統(tǒng)，進一步降低工業(yè)區(qū)水污染風險，提升水污染突發(fā)事故的應急處置能力。

隨著運行年限的增加，地埋管布管區(qū)域的冷熱量累積效應便逐漸顯現(xiàn)出來。由于該區(qū)域冬季供暖從淺層土壤中吸收的熱量大于夏季制冷時向淺層土壤中釋放的熱量，因此，地下溫度場的最小值和平均值將隨著運行年限的不斷增加而逐漸降低。對比圖3和圖8可知，當運行年限增大到一定值時，地埋管布管區(qū)域地下溫度場趨于穩(wěn)定，不再隨時間的變化而發(fā)生明顯變化，這表明冷熱量累積效應在初始階段較為明顯，隨著運行年限的增加，冷熱量累積將在某一時刻達到動態(tài)平衡，此后將不隨時間的增加而繼續(xù)累積。

4.2 孔隙率對傳熱效果的影響

在其他物性參數(shù)不變(同表1)的情況下，布管方式同方案1，運行年限取5 a，通過Matlab軟件分別模擬計算出孔隙率為0.2、0.4、0.6情況下的地下溫度場分布，并分析不同孔隙率對地埋管布管區(qū)域傳熱效果的影響?？紫堵蕿?.4時的地下溫度場分布見圖3，孔隙率為0.2、0.6時的地下溫度場分布(軟件截圖)見圖9、圖10。

隨著孔隙率的增加，地埋管布管區(qū)域的最高溫度、最低溫度以及平均溫度都隨之增加。該區(qū)域冬季供暖從淺層土壤中吸收的熱量大于夏季制冷時向淺層土壤中釋放的熱量。隨著孔隙率的增大，地埋管布管區(qū)域的最低溫度不斷升高，這表明孔隙率越大，地埋管布管區(qū)域的換熱效果越好，因此，減緩了地埋管布管區(qū)域的冷熱量累積效應。對于冬夏季冷熱不平衡地區(qū)而言，孔隙率越大的區(qū)域越有利于地源熱泵系統(tǒng)的運行。

5 結(jié)論

基于有滲流工況下地埋管管群的有限長線熱源模型，通過Matlab軟件模擬計算了深度為50 m平面處的地下溫度場，根據(jù)地下溫度場的溫度分布，分析了布管方式、運行年限、孔隙率對地埋管管群傳熱效果的影響。研究表明：

① 在物性參數(shù)、地埋管布管區(qū)域及地埋管總數(shù)不變的情況下，將地埋管等間距布置在布管區(qū)域內(nèi)最有利于地源熱泵系統(tǒng)的運行。

② 地埋管布管區(qū)域冷熱量累積效應在初始階段較為明顯，隨著運行年限的增加，冷熱量累積將在某一時刻達到動態(tài)平衡，此后將不隨時間的增加而繼續(xù)累積。

③ 對于冬夏季冷熱負荷不平衡地區(qū)，孔隙率越大的區(qū)域越有利于地源熱泵系統(tǒng)的運行。

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