熱泵地埋管換熱器傳熱模型回顧和改進(jìn)

地埋管地源熱泵技術(shù)是目前空調(diào)領(lǐng)域中的前沿研究課題之一。地埋管地源熱泵系統(tǒng)由于具有性能系數(shù)高、節(jié)能效果好、利用可再生能源、環(huán)保效果好、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在歐美應(yīng)用較為廣泛，但在我國(guó)尚處于起步階段，目前只有很少的地埋管地源熱泵機(jī)組成功運(yùn)行。我國(guó)地域遼闊，蘊(yùn)藏著豐富的地表淺層（通常小于400m）地?zé)豳Y源，因此有效利用淺層地?zé)豳Y源，以克服傳統(tǒng)熱泵空調(diào)技術(shù)中的局限與不足，是非常有意義和有實(shí)用價(jià)值的。目前地埋管地源熱泵之所以沒有像空氣源熱泵那樣迅速發(fā)展，除了地埋管地源熱泵的初投資高和對(duì)巖土體的要求外，也不排除至今仍缺少可靠的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模擬工具。Cane和Forgas通過計(jì)算認(rèn)為當(dāng)前北美的地埋管地源熱泵工程實(shí)例中地埋管換熱器的管長(zhǎng)都比實(shí)際偏大10%～30%[1]，從而使得短期內(nèi)回收資金更加不可能，不利于地埋管地源熱泵的發(fā)展和推廣。

　　地埋管換熱器與巖土體之間的傳熱是非穩(wěn)態(tài)的、無限大區(qū)域內(nèi)的傳熱，過程十分復(fù)雜，影響因素繁多。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，關(guān)于地下?lián)Q熱器的傳熱機(jī)理分析主要集中在理論研究和試應(yīng)用階段，巖土體溫度場(chǎng)的研究基于熱傳導(dǎo)原理，對(duì)于考慮地下水運(yùn)動(dòng)的傳熱機(jī)理與換熱機(jī)理等研究很少，而國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)表明地下水橫向滲流對(duì)巖土體傳熱過程有極大的影響[25].因此，為了了解設(shè)置地埋管換熱器后對(duì)原有地下環(huán)境特性的影響，對(duì)熱傳導(dǎo)和地下水運(yùn)動(dòng)共同作用下的地埋管換熱器傳熱機(jī)理進(jìn)行研究十分必要。

　　1地埋管換熱器的傳熱模型

　　影響地埋管地源熱泵系統(tǒng)性能的因素較多，包括地下水流動(dòng)、回填材料的性能、換熱器周圍發(fā)生相變的可能性以及沿管長(zhǎng)巖土體物性的變化等等，如何完善地埋管換熱器的傳熱模型，使其更好地模擬地埋管換熱器的真實(shí)換熱情況，確定最佳地埋管換熱器的尺寸是發(fā)展和推廣地埋管地源熱泵的關(guān)鍵。

　　地埋管系統(tǒng)目前尚處于研究階段，也一直是地埋管地源熱泵技術(shù)的難點(diǎn)，現(xiàn)有的地埋管地源熱泵設(shè)計(jì)方法大都基于地埋管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究。地埋管換熱器一般有三種形式，即豎直埋管、水平埋管和螺旋埋管。水平埋管通常淺層埋設(shè)，開發(fā)技術(shù)要求不高，初投資往往低于豎直埋管；但由于水平埋管換熱能力往往低于豎直埋管，而且敷設(shè)面積大，開挖工程量大，有時(shí)也未必經(jīng)濟(jì)。根據(jù)埋設(shè)方式不同，豎直埋管通常有U型管和套管兩種，國(guó)內(nèi)外地埋管地源熱泵工程常用U型埋管換熱器，盡管套管式埋管換熱器換熱能力優(yōu)于U型管換熱器，但由于其初投資大，工程應(yīng)用很少，僅用于淺層埋設(shè)方式。
　　現(xiàn)有的地埋管換熱器設(shè)計(jì)軟件主要基于線熱源理論、圓柱熱源理論[68]、能量平衡理論[915]等建立控制方程。在設(shè)計(jì)地埋管換熱器時(shí)要考慮長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后地埋管換熱器的取熱、放熱不平衡引起巖土體溫度場(chǎng)溫度的升高或降低，解析法由于能夠簡(jiǎn)便、快捷地得到長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行結(jié)果而備受青睞，但是如果考慮進(jìn)出水管水溫、水流速、各地質(zhì)層以及回填土影響等因素時(shí)采用解析法求解就比較困難，因此，必須進(jìn)行一些必要的簡(jiǎn)化，例如將U型管等價(jià)成一個(gè)當(dāng)量單管以采用柱熱源理論，或?qū)⑵淇闯蔁o限長(zhǎng)的線熱源以采用線熱源理論等。對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行而言，這些簡(jiǎn)化對(duì)結(jié)果影響不大，但是對(duì)于短時(shí)間運(yùn)行則不然，此時(shí)采用數(shù)值解法比較有效。因此也有一些模型綜合考慮了數(shù)值和解析兩種方法。