竖直埋管换热器传热计算方法与研究

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1、....页眉第一章引言1.1研究背景1.1.1热泵技术及地源热泵系统随着能源危机的加剧，人们开始清楚的意识到，在合理开发利用常规能源的同时，也要大力发展清洁的可再生能源，这要求人们必须对于社会能源消耗情况要有清楚的认识。地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术的环保能源利用系统。地源热泵系统通常是转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方，还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环系统，实现节能减排的功能。地源热泵系统作为热源对建

2、筑物进行供热和空调,与空气热源相比,有全年温度波动小、数值相对稳定等优点,具有良好的节能与环境效益,近年来在国内得到了广泛应用。地埋管地源热泵系统是利用2O0m以内浅层地壳中热量的地源热泵系统,它采用地埋管换热器(geothermalheatexchanger)与大地(地层土壤、地下水)进行换热,规避了地下水地源热泵的问题,同时保留了该系统的优点,有着广阔的适用范围,因此将成为地源热泵供热空调技术的主导形式。本文重点介绍地源热泵系统。地源热泵系统包括一室内部分和两部分组成的室内部分包括热泵和管道系统（或风机盘管系统），类似于常规空调系统

3、的腔室外部;地埋管换热器部分的室外部分（见图1.1）。....页脚.....页眉图1.1地源热泵流程示意图1.1.2地源热泵系统的优点1、高效节能，稳定可靠地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17度，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%～60%，因此要节能和节省运行费用40%－50%左右。2、使用寿命长地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年。要比普通空调高35年使用寿命。3、节省空间没有冷却塔、锅

4、炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。4、实现了水资源的循环利用地源热泵热源的形式多样化，无论是干净清澈的地下水，资源量大而无法高效利用的海水，还是生活和工业生产废水，抑或者地表水，都可以高效的加以利用，实现太阳能量的转移，实现可持续绿色环保的发展战略。....页脚.....页眉1.2地埋管换热器研究的国内外现状1.2.1国外现状20世纪20年代以来,随着能源危机和环境问题的出现并且日益严重,土壤源热原系统因节能、节水而普遍受到欧美各国等的关注,地源热泵的研究进人了高潮。1998年美

5、国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%,其中在新建筑里面占30%;据1999年的统计,欧洲的一些国家在家用的供热装置中地源热泵所占比例如下:瑞土为96%、奥地利为38%、丹麦为27%。1912年，瑞士人H.Yellowly[1]首次提出了利用土壤作为热泵系统热源的设想，随后申请了专利。50年代初，美国，英国开始使用地热盘管做家用泵，并开始研究土壤耦合热泵。土壤耦合热泵与早期使用的研究工作主要有：①1947年英国电气研究协会开始研究地下埋管热泵。②1948年Inkslinger和Glass[2]根据Kelvin线性源理论提出了地

6、下埋管换热器的线性源理论[3]。③1953年，美国电力协会认为这个时期的试验还没有提供出可供使用的设计方法。由于这个时期的能源价格低，土壤源热泵系统的初投资高，使得这种系统并不经济。此外，土壤源热泵系统因其计算复杂、土壤对金属的腐蚀等原因，使得对该系统的早期研究高潮。在图1.2中，给出了1983~2007年期间美国地源热泵系统每年的安装数量曲线[4]。....页脚.....页眉图1.21983~2007年美国地源热泵年安装数量[5]截至2009年，美国在运行的地源热泵系统约为100万套，地源热泵系统年消耗一次能源约为7.47×106kW

7、·h，为1990年的5倍[6]。20世纪50年代，美国，英国开始使用地源热泵线圈做家，并开始研究土壤耦合热泵。土壤耦合热泵与早期使用的研究工作主要有：图1.3欧洲部分国家地源热泵安装数量[5]从图1.3得出，德国、英国、奥地利的地源热泵体系建立的比较多。从发展速度，瑞典，每地源热泵系统的全年安装约40,000台，居欧洲之首。除了瑞典，市场的增长在德国，法国，芬兰，瑞士，奥地利，挪威，很快，在2006年，增长率为45％，奥地利市场，德国市场120％的增长速度。2008年，欧洲整体装机量约为13.5万~19万台。研究的具体内容可以归结为地下

8、埋管换热器内钻孔内的热阻和土壤导热系数的求解等两方面，主要代表有[7]：①1987年，Bennetetal.采用多级法得到了钻孔内热阻的表达式。该表达式分两部分，第一部分其实为线源公式，第二部分为线源公式的