地埋管相变回填材料的理论分析与实验研究

地源热泵系统近年来在我国建筑中得到了广泛应用,回填材料对地埋管换热器传热性能的影响至关重要。本课题探索采用相变材料(PCM)作为地埋管换热系统的回填材料,与普通回填材料进行对比理论分析和实验研究,研究成果将对相变回填材料的实际工程应用有重要的理论参考意义。本文对并联双U型和套管式地埋管换热器的传热性能进行了理论分析,选用废动物油和混合酸作为套管式换热器的相变回填材料,与沙土回填进行了对比研究,计算了相变区域内固相和液相的温度分布。结果表明:Ste数越大,相界面的移动速率越快,完全凝固(熔化)的时间越短。流量为180 L/h时,Ste ?0.06时的完全凝固时间为7.73 h,PCM和沙土回填时的热影响半径分别为0.23 m和0.66 m; Ste ?0.15时的完全熔化时间为4.04 h,相应的热影响半径分别为0.18 m和0.50 m。本文建立了地埋管换热器传热性能测试系统,进行了并联双U型埋管换热器的现场测试,得到了不同加热功率下的单井供热量、岩土热导率和热影响半径;建立了天津工业大学新校区A区土壤源热泵土壤温度测量系统,可实时监测钻孔内不同深度处逐日、逐月、逐年的温度曲线。本文建立了套管式换热器的模拟实验系统,该系统与实际套管式换热器在结构上实现了几何相似、在流动中实现了运行相似。采用不同回填材料与流体流量和入口温度的组合,进行了外进内出流动方式下的对比实验。结果表明:流量为250 L/h时,在PCM完全凝固(熔化)时间内,径向距离0.1 m处的土壤温度下降了0.7℃(取热工况)或上升了3.5℃(放热工况),而径向距离0.3 m的土壤温度无明显变化;当回填材料分别为沙土和PCM时,取热工况下流体的进出口温差为0.16℃和0.10℃;放热工况下为0.24℃和0.08℃。本文基于套管式换热器模拟系统的理论分析和实验结果,预测了地埋管换热器采用相变材料回填的工程应用可行性。结果表明地埋管相变回填材料可缩小钻孔间距。若能实现钻孔密封并获得蓄热性能良好且价格低廉的相变材料,地埋管热泵系统采用PCM回填将会有很好的应用前景。