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1、土壤源热泵垂直U型埋管换热器传热模型分析研究刘亮1胡宁2王晏平2李雪飞2汪志远3（1合肥烟草设计院2安徽建筑工业学院3海尔集团）摘要：对地埋管换热器的传热过程进行合理分析是保证地源热泵空调经济可靠运行和降低其初投资的基本要求，传热模型又是传热过程的关键所在，因而确定钻孔内传热模型对于设计地源热泵空调系统中的地热换热器具有重要的意义。在此基础上本文分析了地源热泵地下换热器的三种传热模型，导出了其解析式，并对比分析了各种模型的优缺点，为地下换热器的设计和分析提供了更精确的方法。关键词：地热热泵系统垂直U型管换热器传热模型热阻Dicussiononm
2、odelsofverticalU-tubeheatexchangerforground-sourceheatpumpsystemsByLiuLiang1,HuNing2,WangYanping2,LiXuefei2,Wangzhiyuan3(1HefeiDesignInstituteofTobacco,2AnhuiUniversityofArchitecture,3HaierGroup)Abstract:Thegroundsourceheatpumpsystemfeaturesitsgroundheatexchanger,whichcontri
3、butestoasubstantialportionofitsinitialcost.Theheattransfermodelisveryimportant,soitiscrucialtodeterminetheheattransfermodelwithhigheraccuracyforcost-efficientapplicationsofGSHPs.Thispaperistoanalysethreetransfermodelsoftheheattransfersofground-sourceheatpumpandconcludeeachan
4、alyticalsolutionandcomparedwitheachother,itgivesamoreaccuratemethodtodesignandanalysetheheattransfers.Keywords:ground-sourceheatpumpsystems;verticalU-tubeheatexchanger;heattransfermodel;thermalresistance0引言地源热泵以地表能为热源(热汇)，通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低品位热能向高品位热能转移的热泵空调系统。冬季供热时，把地表中的热
5、量“取”出来，供给室内供热，同时向地下蓄存冷量，以备夏用；夏季制冷时，把室内热量取出来，释放到地表中，向地下蓄存热量，以备冬用，因此地源热泵是可再生能源利用技术。地源热泵系统只取热不取水，没有地下水位下降和地面沉降问题，不存在腐蚀和开凿回灌井问题，也不存在对大气排热、排冷的热污染和排烟、尘、水等污染，是真正的“绿色能源”。因此开展地源热泵的研究具有较高的理论意义、实用价值和社会环保效益。与传统空调系统相比，地源热泵系统多了一个地下换热器使得初投资较高，这也是地源热泵系统发展的阻碍因素之一，综合国内外地源热泵的研究现状，可以发现地源热泵技术研究与
6、应用的重点在于对其地热换热器的传热分析、设计方法、安装技术以及运行工况测试等方面的研究。由于地热换热器的设计一直是地源热泵的一个难点，同时也是该项技术研究的核心和应用的基础。实际工程中的地热换热器地下条件复杂，各个几何参数难以精确控制，所以一直也是地源热泵的一个研究难点，对地下换热器的研究主要是对其传热模型的研究。目前国际上提出的比较广泛应用的三种传热模型:①VCMei传热模型，该模型基于能量守恒的基础上，由系统能量平衡结合热传导方程构成；②IGSHPA（InternationalGround-SourceHeatPumpAssociation
7、)模型,该模型以Kelvin线热源理论为基础,以年最冷月和最热月负荷为计算依据来确定地下埋管换热器的尺寸,并利用能量分析的BIN方法计算季节性能系数和能量消耗，该模型考虑了多根钻孔之间的热干扰,及地表面的影响；③NWWA(NationalWaterWellAssociation)模型,该模型是在Kelvin线热源方程分析解的基础上建立岩土层的温度场,进而确定换热器的尺寸。它可以直接给出换热器内平均流体温度,并采用叠加法模拟热泵间歇运行的情况[1]。本文主要研究工程上常见的U型管地下换热器的一维、二维以及在二维基础上给出的准三维模型。1一维稳态模
8、型工程上常见的单U型管换热器，两根水管构成一供一回的闭式循环回路，相对钻孔外壁的传热过程来说，钻孔内部的热容量要小很多，并且水沿管轴方向的温度变化很小
