熱泵地埋管換熱器傳熱模型回顧和改進

地埋管地源熱泵技術是目前空調(diào)領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)簡單等優(yōu)點，在歐美應用較為廣泛，但在我國尚處于起步階段，目前只有很少的地埋管地源熱泵機組成功運行。我國地域遼闊，蘊藏著豐富的地表淺層（通常小于400m）地熱資源，因此有效利用淺層地熱資源，以克服傳統(tǒng)熱泵空調(diào)技術中的局限與不足，是非常有意義和有實用價值的。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巖土體的要求外，也不排除至今仍缺少可靠的系統(tǒng)設計和模擬工具。Cane和Forgas通過計算認為當前北美的地埋管地源熱泵工程實例中地埋管換熱器的管長都比實際偏大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，過程十分復雜，影響因素繁多。從現(xiàn)有文獻來看，關于地下?lián)Q熱器的傳熱機理分析主要集中在理論研究和試應用階段，巖土體溫度場的研究基于熱傳導原理，對于考慮地下水運動的傳熱機理與換熱機理等研究很少，而國內(nèi)外文獻表明地下水橫向滲流對巖土體傳熱過程有極大的影響[25].因此，為了了解設置地埋管換熱器后對原有地下環(huán)境特性的影響，對熱傳導和地下水運動共同作用下的地埋管換熱器傳熱機理進行研究十分必要。

　　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、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的難點，現(xiàn)有的地埋管地源熱泵設計方法大都基于地埋管換熱器的實驗研究。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，開發(fā)技術要求不高，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，而且敷設面積大，開挖工程量大，有時也未必經(jīng)濟。根據(jù)埋設方式不同，豎直埋管通常有U型管和套管兩種，國內(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，工程應用很少，僅用于淺層埋設方式。
　　現(xiàn)有的地埋管換熱器設計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。在設計地埋管換熱器時要考慮長時間運行后地埋管換熱器的取熱、放熱不平衡引起巖土體溫度場溫度的升高或降低，解析法由于能夠簡便、快捷地得到長時間的運行結(jié)果而備受青睞，但是如果考慮進出水管水溫、水流速、各地質(zhì)層以及回填土影響等因素時采用解析法求解就比較困難，因此，必須進行一些必要的簡化，例如將U型管等價成一個當量單管以采用柱熱源理論，或?qū)⑵淇闯蔁o限長的線熱源以采用線熱源理論等。對于長期運行而言，這些簡化對結(jié)果影響不大，但是對于短時間運行則不然，此時采用數(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。