地源热泵地埋管设计讲课稿.doc

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中南建筑设计院马友才
摘要：根据地埋管传热特性,提出了地埋管换热能效度概念。建立了竖直地埋管换热器的三维传热模型,模拟计算了地埋管换热器能效度在不同埋设深度条件下的分布。揭示了区段能效度的迁移特性,将地埋管换热区域沿埋设深度范围分为无效换热区域和有效换热区域,并给出了基于换热能效度的地埋管换热器长度设计方法。关键词：地源热泵地埋管换热器能效度迁移特性1竖直地埋管换热器埋设深度确定原则常用的竖直U形地埋管换热器如图1所示。按照管内流体流动的方向,U形管分为上升支管和下降支管。地埋管内来自热泵机组的流体进入到下降管,沿程与周围土壤进行换热,管内流体温度发生变化后从地埋管上升管回到热泵机组中,从而完成一个换热循环。在流量一定的条件下,流体与土壤的温差越大,地埋管的单位井深换热能力就越大。在地源热泵的设计中,较普遍的做法是在满足地埋管换热量的要求下根据单位井深换热量、埋管面积和间距来确定埋管深度,根本没有考虑保障一定埋管出水温度要求以达到热泵主机的高效运行。实际上,当地埋管地源热泵运行到一定的时间后,由于土壤的蓄能特性,周围土壤冷热量堆积使得地埋管换热器的运行状态还要受到前一个状态的影响,地埋管换热器的换热能力随着时间增加逐渐下降,地埋管内流体的进出口温差降低,热泵主机的运行性能变差,增加了费用。在工程项目现场已有的条件下要使地埋管的出口温度能够持续地满足主机高效运行,适当地增加地埋管换热器的埋设深度是最有效的方法。本文以地埋管内工作流体出口温度随深度的瞬时变化程度为判定原则,通过建立地埋管换热器传热的三维传热模型,分析地埋管换热器埋设深度的设计方法。2地埋管换热器三维传热模型导热型地埋管换热器的传热过程十分复杂,其换热效果受很多因素影响,如地埋管几何结构,土壤的类型、导热系数、热扩散率、含水率以及热泵运行时间,间歇运行工况,负荷大小等等。为便于理论分析求解,作如下假设:1)在整个传热过程中土壤的物理成分、热物性参数各向同性且保持不变。2)忽略地表面温度变化对顶层土壤温度的影响,使用全年平均气温作为地表面的边界条件;忽略地表面温度波动对土壤温度的影响,认为土壤的初始温度均匀一致,且无穷远处恒定不变。3)不考虑水分迁移和地下水对热量传递的影响,地埋管与土壤之间的热量传递过程只是纯导热的传热过程。4)忽略地埋管与回填材料、回填材料与井壁间的接触热阻。竖直U形地埋管换热器数学模型包括两部分:一部分是U形管壁、回填材料及土壤的导热传热模型,一部分是U形管内的流体流动与对流传热模型。2.1导热传热模型U形管壁、回填材料及土壤在直角坐标系中三维瞬态导热控制方程可表示为

2.2对流传热模型为提高地埋管内流体换热效果,U形管内流体在湍流状态下流动。湍流流动的模型很多,K-ε双方程模型是湍流黏性系数模型中使用最多、应用最成功的一种模型,本文采用该湍流模型。竖直U形管内的湍流流体与周围土壤传热的控制方程包括固体导热传热方程,对流换热的连续性方程、动量方程、能量方程、湍流动能方程以及湍流动能耗散率方程,所有这些方程满足如下通用形式的方程[1]:2.3初始化和边界条件土壤、管壁、回填材料以及流体计算初始温度均取同一温度值,无穷远边界处的温度始终保持该温度值。土壤与回填材料、管壁与回填材料交界处的传热采用整体离散、整体耦合求解,其界面热流相同。管内流体与管壁间的对流传热为第三类边界条件,采用高Re求解流体与固体间的传热,壁面附近的黏性支层区域采用标准壁面函数法来处理。U形地埋管换热器表面边界条件包括地埋管进水温度、与周围空气相邻的土壤表面换热,前者为恒定的进水温度,后者为第三类边界条件,其表面传热系数取19W/(m2·℃)[2]。3地埋管换热能效度3.1换热能效度定义地埋管地源热泵机组的出水进入到地埋管换热器的下降支管与周围土壤进行换热,从理论上来说地埋管出口流体温度均可以最大限度地接近土壤初温。而实际的状况是,不管是冬季还是夏季,地埋管换热器的流体出口温度均远离了土壤初温,造成了换热效率下降。其主要原因一方面是埋管越深钻井难度越大,成本急剧增加,从经济角度上不允许单井长度较大的地埋管;另一方面地埋管周围土壤经过一段时间的排/取热堆积了大量的热/冷量而温度升高/降低,因而换热能力随着时间推移逐渐下降,导致出口温度逐渐上升/降低,使得地埋管出口温度远离土壤初始温度。针对地埋管换热器能量交换的特性,为量化地埋管换热效率,定义U形地埋管换热器能效度E为地埋管换热器实际换热量Q与最大理论换热量Q′的比值,其表达式为式中tin,tout,t0分别为U形地埋管换热器流体进口温度、