滲流條件下地埋管換熱器傳熱特性研究

1 概述

地?zé)崮茏鳛橐环N清潔綠色的可再生能源，有著分布廣泛、儲(chǔ)量大、熱量穩(wěn)定的特點(diǎn)。目前關(guān)于豎直地埋管傳熱的研究集中于對(duì)單鉆孔的分析

，而對(duì)地埋管管群的分析較少，同時(shí)國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究對(duì)地下水滲流的因素考慮較少，但地下水滲流的存在會(huì)對(duì)換熱造成顯著的影響。

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

2 地埋管管群傳熱模型

2.1 有限長(zhǎng)線熱源模型

.

.

問(wèn)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(yīng)用于對(duì)地埋管長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程的模擬時(shí)計(jì)算量巨大，而解析模型簡(jiǎn)單易于運(yùn)算，因此，本文采用管群的有限長(zhǎng)線熱源模型

(解析模型)來(lái)計(jì)算并分析地埋管換熱器的傳熱過(guò)程。

本文所研究的地埋管布管區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)長(zhǎng)30 m，寬20 m，深100 m的地面以下土壤區(qū)域，有限長(zhǎng)線熱源模型包括該土壤區(qū)域以及其中流動(dòng)的地下水和埋有地埋管并與土壤進(jìn)行著熱交換的鉆孔。坐標(biāo)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(biāo)原點(diǎn)

位于矩形左下角頂點(diǎn)處，

軸沿矩形長(zhǎng)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(diǎn)

(

，

，

)為地埋管布管區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)，稱為計(jì)算點(diǎn)。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(gè)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(gè)，鉆孔最大深度

為100 m。

在冬夏季負(fù)荷不平衡地區(qū)，假設(shè)每年冬夏季地源熱泵系統(tǒng)各連續(xù)運(yùn)行90 d，地埋管單位長(zhǎng)度承擔(dān)換熱負(fù)荷記為

。夏季，熱泵系統(tǒng)向土壤中釋放熱量，換熱負(fù)荷

為正值；冬季，熱泵系統(tǒng)從土壤中吸收熱量，換熱負(fù)荷

為負(fù)值。取夏季各地埋管單位長(zhǎng)度承擔(dān)換熱負(fù)荷為30 W/m，冬季各地埋管單位長(zhǎng)度承擔(dān)換熱負(fù)荷為-45 W/m，春秋季系統(tǒng)停運(yùn)，地下溫度場(chǎng)的溫度會(huì)有一定的恢復(fù)。本文對(duì)鉆孔深度為50 m水平面處(即

=50 m)的地下溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，根據(jù)地下溫度場(chǎng)的溫度分布，分析不同工況對(duì)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(jì)算區(qū)域俯視圖見圖1。

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

.

.

假定說(shuō)明

① 將土壤視為一個(gè)均勻、各向同性的半無(wú)限大多孔介質(zhì)(包括純土壤和地下水)。在傳熱過(guò)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(wù)辦公、商場(chǎng)和會(huì)展等建筑為主。在信息技術(shù)基礎(chǔ)上，提供便捷、安全和智能辦公環(huán)境進(jìn)行管理，提供專業(yè)化信息服務(wù)。

③ 將埋有地埋管并與土壤進(jìn)行著熱交換的鉆孔近似地看作是置于半無(wú)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(lái)，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(xué)模型

由虛擬熱源法

、疊加原理

、階躍負(fù)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(diǎn)(點(diǎn)

)的溫度變化

：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

=(1-

)

+

(7)

式中 Δ

——有限長(zhǎng)線熱源模型任一點(diǎn)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(gè)時(shí)，鉆孔間距為3 m；鉆孔數(shù)量為4個(gè)時(shí)，鉆孔間距為5 m；鉆孔數(shù)量為2個(gè)時(shí)，鉆孔間距為15 m。方案4中，每列鉆孔數(shù)量為6個(gè)或者2個(gè)時(shí)，其布置方法同方案2；對(duì)于鉆孔數(shù)量為4個(gè)的兩列，靠?jī)?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(hào)，共

個(gè)

2.改革開放40年中國(guó)住房市場(chǎng)的調(diào)控和非市場(chǎng)化的住房供給。經(jīng)過(guò)改革開放20年住房市場(chǎng)化探索和房地產(chǎn)市場(chǎng)的培育，到21世紀(jì)初，中國(guó)房地產(chǎn)市場(chǎng)逐步形成和成熟。與之相應(yīng)，住房投資和投機(jī)過(guò)度等現(xiàn)象相伴而生，從21世紀(jì)初開始房?jī)r(jià)飛速上漲，高房?jī)r(jià)導(dǎo)致市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下的購(gòu)房難，購(gòu)房難導(dǎo)致民眾購(gòu)房負(fù)擔(dān)沉重進(jìn)而帶來(lái)新型住房難，使住房供給嚴(yán)重偏離民生需求。與此同時(shí)，房?jī)r(jià)飛速上漲還波及金融穩(wěn)定和安全，甚至帶來(lái)系統(tǒng)性金融風(fēng)險(xiǎn)。出于改善民生和金融安全的考慮，國(guó)家從2003年開始，一方面持續(xù)出臺(tái)房?jī)r(jià)調(diào)控政策，另一方面加大非市場(chǎng)化的保障房供給力度。

——以d為單位時(shí)對(duì)時(shí)間編號(hào)的最大值

——時(shí)間的編號(hào)

,+1

——第

個(gè)鉆孔

+1

時(shí)單位長(zhǎng)度承擔(dān)的換熱負(fù)荷，W/m

對(duì)于已經(jīng)發(fā)生功血的患者,更要加強(qiáng)護(hù)理。本研究通過(guò)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(hù)理干預(yù)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(duì)護(hù)理的滿意度,值得臨床推廣應(yīng)用。

,

——第

個(gè)鉆孔

時(shí)單位長(zhǎng)度承擔(dān)的換熱負(fù)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(xiàng)及藥品潛在不良反應(yīng)的自我預(yù)防和監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)上報(bào)。②臨床藥師應(yīng)積極與醫(yī)師和藥師進(jìn)行交流，記錄患者用藥后的不良反應(yīng)及病情變化，并主動(dòng)及時(shí)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(yīng)注意收集患者的不良反應(yīng)和用藥錯(cuò)誤問(wèn)題，做到用藥前提前預(yù)防、用藥時(shí)及時(shí)交代、用藥后及時(shí)反饋。臨床藥師如發(fā)現(xiàn)患者在治療中出現(xiàn)不良反應(yīng)，應(yīng)立即上報(bào)，不得隱瞞。④院方應(yīng)主動(dòng)開設(shè)患者咨詢窗口，為患者提供及時(shí)便利的咨詢服務(wù)，指導(dǎo)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(dǎo)率，W/(m·K)

——地下水滲流速度，m/s

,

——計(jì)算點(diǎn)到第

個(gè)鉆孔

方向的距離，m

——中間變量

——鉆孔最大深度，m

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前還有一些準(zhǔn)備工作需要進(jìn)行，搜集患者在院治療糖尿病的各項(xiàng)身體數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行整理，方便和之后的情況進(jìn)行對(duì)比。做好患者的心理工作，讓患者明確認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)照組中有6例患者，比較抗拒健康教育，通過(guò)醫(yī)護(hù)人員的耐心開導(dǎo)，最終使其配合健康教育工作進(jìn)行。

——計(jì)算點(diǎn)離第

個(gè)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(kuò)散率，m

/s

——線熱源(鉆孔)上任一點(diǎn)的深度，m

——計(jì)算點(diǎn)的橫坐標(biāo)，m

式中

——有限長(zhǎng)線熱源模型任一點(diǎn)土壤溫度，℃

——計(jì)算點(diǎn)的縱坐標(biāo)，m

——第

個(gè)鉆孔的縱坐標(biāo)，m

.

.

求解設(shè)置

——時(shí)間(第

天)，d

——時(shí)間(第

天)，d

——多孔介質(zhì)孔隙率

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，計(jì)量資料采用xˉ±s表示，多組計(jì)量數(shù)據(jù)間比較采用F檢驗(yàn)，組間比較采用SNK-q檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料采用卡方檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用回歸分析的對(duì)數(shù)曲線估計(jì)繪制學(xué)習(xí)曲線。

——純土壤的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

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

，其鉆孔及土壤參數(shù)見表1。

第三，加強(qiáng)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(huì)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(shí)機(jī)、免疫操作的規(guī)范以及蛋雞機(jī)體對(duì)于免疫的應(yīng)答反應(yīng)等，許多時(shí)候雞群的免疫系統(tǒng)由于應(yīng)激、疾病、毒素等多方面的影響，會(huì)發(fā)生免疫抑制，這都有可能影響到免疫的效果。

2.2 各項(xiàng)設(shè)置

——計(jì)算點(diǎn)的豎坐標(biāo)，m

——地下水的熱導(dǎo)率，W/(m·K)

.

.

初始條件

=

(

=0)

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)由用可編程控制計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集器以及組態(tài)軟件構(gòu)成。其中，PCC作為機(jī)載控制系統(tǒng)完成掘進(jìn)機(jī)各基本動(dòng)作的控制；通過(guò)組態(tài)軟件完成人機(jī)交互界面的搭建以及PCC數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)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(gè)鉆孔的橫坐標(biāo)，m

——土壤初始溫度，℃

.

.

邊界條件

(9)

=

(

=0)

馬克思在晚年關(guān)于東方社會(huì)的思考中，曾明確指出在特定的的歷史環(huán)境下俄國(guó)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(huì)形態(tài)，而不是資本的發(fā)展階段。所以，對(duì)于落后民族來(lái)說(shuō)，無(wú)論以何種路徑進(jìn)入世界歷史，都無(wú)法回避資本以及如何處理與資本的關(guān)系這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)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(duì)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(dòng)會(huì)帶動(dòng)冷熱量沿

軸正方向移動(dòng)，從而使得冷熱量在離

軸較遠(yuǎn)處累積較大，由此方案2將鉆孔在靠近

軸處設(shè)置較多，遠(yuǎn)離

軸處設(shè)置較少。方案3為方案2的對(duì)照組?？紤]到地埋管布管區(qū)域外圍散熱效果比中心要好，設(shè)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(duì)傳熱效果的影響

在運(yùn)行年限取5 a，其他物性參數(shù)同表1的情況下，通過(guò)Matlab軟件分別模擬計(jì)算了4種不同布管方式時(shí)地埋管布管區(qū)域的地下溫度場(chǎng)。不同方案下地下溫度場(chǎng)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(shè)計(jì)就是要針對(duì)這3個(gè)要素分別采取防范措施，切斷或降低干擾信號(hào)對(duì)接收端敏感器件的影響[8]。鑒于干擾源無(wú)法徹底杜絕，時(shí)間同步電路的抗干擾設(shè)計(jì)重點(diǎn)是對(duì)信號(hào)傳輸過(guò)程的保護(hù)和選用抗干擾能力強(qiáng)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(chǎng)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(yán)重，方案3在地埋管布管區(qū)域下游冷量累積較嚴(yán)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(chǎng)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(yīng)。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(yùn)行。

4 不同工況對(duì)地埋管管群傳熱的影響

4.1 運(yùn)行年限對(duì)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(guò)Matlab軟件分別模擬計(jì)算出運(yùn)行年限為1 a、5 a、10 a時(shí)對(duì)布管區(qū)域傳熱效果的影響。運(yùn)行年限為5 a的地下土壤溫度場(chǎng)分布見圖3，運(yùn)行年限為1 a和10 a時(shí)的地下土壤溫度場(chǎng)分布(軟件截圖)見圖7、圖8。

運(yùn)行年限不同時(shí)，地下溫度場(chǎng)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?yàn)樵诘叵滤疂B流的作用下，地埋管布管區(qū)域上游的冷熱量會(huì)隨地下水流動(dòng)向布管區(qū)域下游移動(dòng)，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(yīng)的影響。運(yùn)行年限為1 a時(shí)，地下溫度場(chǎng)平均溫度與最低溫度都相對(duì)較高，這是由于運(yùn)行年限為1 a時(shí)運(yùn)行時(shí)間較短，僅僅經(jīng)歷了一個(gè)冬夏季，此時(shí)的地埋管布管區(qū)域冷熱量累積較少，對(duì)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(yīng)并未對(duì)該地埋管布管區(qū)域造成過(guò)大的影響。

孫莉軍介紹到，當(dāng)前，工業(yè)區(qū)已建立起一個(gè)立體的環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，不僅對(duì)地面的生產(chǎn)企業(yè)實(shí)行監(jiān)控，而且對(duì)大氣實(shí)施自動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)與國(guó)家安全科學(xué)研究院合作，工業(yè)區(qū)在30家重點(diǎn)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(cè)體系的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析各項(xiàng)污染物濃度趨勢(shì)，形成月度報(bào)告，為改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量提供依據(jù)。同時(shí)，工業(yè)區(qū)推進(jìn)雨水三級(jí)應(yīng)急體系建設(shè)，包括24個(gè)入河口水閘，企業(yè)雨水應(yīng)急閥門和河道聯(lián)閘聯(lián)控系統(tǒng)，進(jìn)一步降低工業(yè)區(qū)水污染風(fēng)險(xiǎn)，提升水污染突發(fā)事故的應(yīng)急處置能力。

隨著運(yùn)行年限的增加，地埋管布管區(qū)域的冷熱量累積效應(yīng)便逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。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(shí)向淺層土壤中釋放的熱量，因此，地下溫度場(chǎng)的最小值和平均值將隨著運(yùn)行年限的不斷增加而逐漸降低。對(duì)比圖3和圖8可知，當(dāng)運(yùn)行年限增大到一定值時(shí)，地埋管布管區(qū)域地下溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定，不再隨時(shí)間的變化而發(fā)生明顯變化，這表明冷熱量累積效應(yīng)在初始階段較為明顯，隨著運(yùn)行年限的增加，冷熱量累積將在某一時(shí)刻達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此后將不隨時(shí)間的增加而繼續(xù)累積。

4.2 孔隙率對(duì)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(yùn)行年限取5 a，通過(guò)Matlab軟件分別模擬計(jì)算出孔隙率為0.2、0.4、0.6情況下的地下溫度場(chǎng)分布，并分析不同孔隙率對(duì)地埋管布管區(qū)域傳熱效果的影響?？紫堵蕿?.4時(shí)的地下溫度場(chǎng)分布見圖3，孔隙率為0.2、0.6時(shí)的地下溫度場(chǎng)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(shí)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(yīng)。對(duì)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(yùn)行。

5 結(jié)論

基于有滲流工況下地埋管管群的有限長(zhǎng)線熱源模型，通過(guò)Matlab軟件模擬計(jì)算了深度為50 m平面處的地下溫度場(chǎng)，根據(jù)地下溫度場(chǎng)的溫度分布，分析了布管方式、運(yùn)行年限、孔隙率對(duì)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(yùn)行。

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

③ 對(duì)于冬夏季冷熱負(fù)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(yùn)行。

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