水平螺旋地埋管地源热泵的研讨

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1、水平螺旋地埋管地源热泵的研讨1水平螺旋埋管传热模型1.1土壤的温度分布在处理地埋管（平板热管散热器的分析）的传热问题时，常常可以把人地简化为均匀的半无限大介质。由于水平埋管的埋深通常为1〜2m,大气及地表的温度波动对浅层土壤中传热过程的影响不能忽略。地表的温度变化通常可简化为周期性的tl温度波和年温度波。地表FI温度波的影响在地F1.5m左右的深度就消失了，可以忽略不计。对于本文讨论的问题，主要考虑浅层土壤温度以年为周期的变化。如果把地表的年温度变化简化为一个简谐波，则离地面一定深度z处的温度响应为［5］可见与

2、地表温度相比，在距离地面不同深度处的年温度波在振幅上有一定的衰减，在吋间上有一定的延迟。对于埋深为1.5m的土壤层,当a=0.6x10-6m2/s时，这一时间延迟约为36d.也就是说，埋设地埋管换热器的土壤层出现最低（或最高）温度的时刻与建筑最人热负荷（或冷负荷）出现的时刻会错开一段时间，这对换热器的性能是有利的。为避免模型过于复杂，对■于这一工程计算问题，笔者采取偏于保守的假设，忽略温度波在时间上的延迟，只考虑在振幅上的衰减。一定深度土壤的温度在1年屮偏离深层恒温层土壤温度的极值1.2平血热源传热模型在讨论水

3、平螺旋埋管换热器温升问题时，将水平埋管布置的区域看成是无限人介质，散热量平均分布在埋设水平螺旋埋管的平面内，水平埋管向两侧散热。在这样的简化假定下，水平螺旋埋管换热器温升问题可以采用无限人介质中而热源一维非稳态导热模型。在初始温度均匀的无限大介质中如果从t=0时刻开始冇持续的面热源作用，可得面热源处的温度响应（即热源平面上的平均温升）热量从水平埋管平面向上下两侧扩散的热阻与竖直埋管的传热剖析相类似，这个非稳态导热的热阻与负荷作用的时间紧密相关。随着时间的延长，该热阻是增大的，表现为随着加热时间的延长，水平螺旋埋

4、管换热器向上下两侧的传热能力逐渐减弱。而在运行季节的末期，该热阻为最人值，此时也是水平埋管换热器最不利的情况，在承担相同负荷的情况下，此时循环液的温度也达到了最高值。在变负荷工况下，地埋管换热器中流体温度的升高不仅取决于长期的平均负荷，也与阳期脉冲负荷的强度和持续时间冇关。rh于土壤层的热容量大而导热性能不佳，地埋管换热器承担长期、均衡负荷的能力较好，短时间强负荷也有可能使换热器内流体的温度超过热泵额定的进水温度。在计算流体的最大温升值时，可以把间歇工作的周期性脉冲热流简化为一个持续作用的平均热负荷和一个脉冲负

5、荷Z和，这样可以兼顾两种不同的作用，同时简化了计算。对于冬季供热工况的温降，也可以按同样的方法计算。1.3从管内流体到热源平面的传热以上的模型屮假定水平埋管平面上的负荷是均匀分布的。实际上，管子不是铺满整个埋管平而，而且也不是均匀分布的。管内流体携带的热量要在埋管平面内分散开来，还要克服管内和管壁的传热热阻，以及悸壁和热源平面间的传热热阻。因此在计算管内流体温度时，必须考虑管内流体到热源平面的传热热阻。与竖肓埋管的传热剖析和类似，同样忽略管内流体、管壁和埋管附近土壤的热容量的影响，简化为稳态传热来处理。在剖析这

6、一传热过程时，假定水平埋管在平面内是均匀分布的，埋管的密度可用单位而积土壤屮平均布置的管长卩来表示。如果单位血积土壤承担的热负荷为q,则单位长度的埋管承担的负荷为q匸q/卩。由于水平埋管管壁和热源表面Z间还有一个温升，所以存在热阻Rg,这个热阻为许多因素冇关，考虑单位面枳内布置的埋管量对换热器换热能力的影响，将此热阻定义为管间热阻。为此即假定水平埋管是由间隔均匀的平行直管道纽成的，此时管道间距为i/porti管道外壁到两管道中间区域的中点的热阻即管间热阻，可以表示为单位长度管子的热阻可近似地表示为Rl=Rp+R

7、g,折合成单位土壤面积的热阻为R2=Rl/p,则由管内流体到热源平面的传热热卩□引起的温升为1.4埋管内流体的进出口极值温度根据以上的土壤初始温度、而热源表面处温升和由各个热阻引起的附加温升可以计算岀地埋管换热器进岀口流体的平均温度tf,为夏季和冬季循环液的最高和最低温度tmax和tmin分别为［8］。2工程实例剖析2」工程概况该工程位于成都市某高尔夫俱乐部会所。建筑物集中布置在高尔夫球场的南部，建筑面积为5000m2,高尔夫球场采川人开挖的方式设直水平埋管作为地源热泵系统的热源/热汇，埋管的平均埠深为2m.根

8、据成都地区的气候参数，可得到地而的年温度波振幅为Aw=13.7°C,年平均温度为16°Co采用负荷计算软件计算出该建筑物的全年逐吋负荷。根据建筑物的逐吋负荷，分別统计计算供暖期间和空调期间的峰值负荷和平均负荷，得到建筑物的峰值冷、热负荷分别为483kW和215kW,运行期间的平均冷、热负荷分别为164kW和56kW.2.2计算结果采用丽文给出的水平埋管的传热模型，输入土壤的热物性参数、