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1、第25卷 第3期太 阳 能 学 报Vol125,No132004年6月ACTAENERGIAESOLARISSINICAJuly,2004文章编号:025420096(2004)0320399208竖直埋管地热换热器钻孔内的传热分析曾和义,刁乃仁,方肇洪(山东建筑工程学院地源热泵研究所,济南250014)摘 要:准三维模型为竖直埋管地热换热器的结构优化提供了较为精确的理论基础。利用准三维模型对竖直埋管地热换热器进行分析与研究得出,不同的行程布置对双U型埋管地热换热器的传热性能有较大影响。就钻孔内热阻的对比,双U型埋管比单U型埋管钻孔内的热阻低,因而双U型埋管地热
2、换热器较单U型埋管地热换热器更为合理。关键词:地源热泵;地热换热器;传热;热阻+中图分类号:TK51213文献标识码:A示。这是在美国主导的形式。另一种是在一个钻孔0 引 言埋设两组U型管,可称作双U型埋管地热换热器,[3]地源热泵空调系统是利用蕴藏于大地内的大量在欧洲有较多应用,如图1b所示。双U型埋管低品位能量来为建筑物供热空调提供冷热源的新颖结构的地热换热器由于增加了钻孔内的传热面积,[1]的空调设备。由于在地表数米以下的土壤温度使得钻孔内传热热阻降低,从而对于确定的换热负几乎常年维持不变,因而使得地源热泵空调系统在荷可以减小钻孔深度;当然,相应地也增加了
3、管材运行当中具有较高性能系数。这对于降低建筑供热和管件的费用。因此,不同结构形式的地热换热器和空调能耗、减小CO2排放量、保护环境具有重大在传热性能和经济性方面的优劣仍然是研究者和工[2]的意义。程师们正在探讨的课题。设置地热换热器是闭环地源热泵(或称地下偶合热泵)空调系统的最大特点。这种地热换热器中的传热是管内流体与周围岩土之间的换热,与两种流体之间换热的常规换热器有很大的不同。通常地热换热器有水平和竖直两种布置方式。竖直布置的地热换热器通常都是在钻孔内布置U型的塑料管,再加上回填材料,与周围岩土构成一个整体。由于竖直埋管地热换热器具有占地少、工作性能稳定等优
4、点,已成为工程应用中的主导形式。对其传热模型的研究也就成为开发地源热泵空调系统首要的课题。地源热泵空调系统的主要缺点是其地热换热器的初投资较高,这也是阻碍地源热泵空调系统的发展的主要原因之一。因此图1 竖直U型埋管地热换热器示意图,对地热换热器的结构进Fig11Theschematicdiagramofvertical行优化,并提供可靠的设计计算模型是降低地热换U2tubegroundheatexchangers热器造价的重要途径,也是推广地源热泵技术的关键之一。钻孔内热阻计算的正确与否,对于地热换热器采用竖直U型埋管的地热换热器的结构形式的设计以及模拟结果影响
5、重大。关于竖直埋管地热主要有两种。一种就是在钻孔内埋设一组U型塑换热器钻孔内传热热阻的计算模型,文献中有不少料管,这便是单U型埋管地热换热器,如图1a所报道;但由于该传热问题的复杂性,至今没有形成 收稿日期:2002212230©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.400 太 阳 能 学 报 25卷广泛认可的设计计算方法。传热模型中有一类可归在传热性能与经济性方面的比较提供理论模型。[4]为数值计算模型。早
6、期Mei等人针对竖直埋管地1 叠加原理热换热器传热的不同区域,基于能量平衡原理,采用有限差分的计算方法对竖直埋管地热换热器传热图2为对称布置的双U型埋管地热换热器的进行了研究,但是也只是将钻孔内不同支管简化为横截面示意图。在实际工程中,虽然可以采取一些当量直径的单管,使传热问题简化为一维问题。后措施把四根支管配置到较理想的位置,但实际上支[5]来出现了采用有限元方法的二维数值计算模型。管在钻孔中的位置带有相当大的随意性。因此,一采用数值计算的方法时,其计算工作量非常繁杂,般地讨论这一问题将涉及众多的几何参数。为了使不便于直接应用于工程实际的设计计算。采用简化问题
7、不至过于复杂,又能对实际工程有指导意义,的一维模型也不能揭示钻孔内U型管各支管间的在以下的讨论中假定四根支管在钻孔中是中心对称热流短路现象。与此同时也出现了可以理论求解的分布的。由于钻孔的深度远远大于钻孔的直径,加模型,最早也最简单的模型就是用当量直径的单管之地热换热器中循环流体的平均温度沿钻孔深度方[6]代替钻孔内实际的U型埋管,以回避U型埋管向的变化不大,因此对于岩土和钻孔的回填材料中的支管与钻孔不同轴的复杂性,这种模型缺乏严密的轴向导热可以忽略不计,即假设钻孔壁的温度在的理论根据,过于粗糙;Hellstrom曾给出了在二整个深度方向是均匀的,记为Tb。因此
8、,在钻孔维条件下钻孔内有
