226-土壤源热泵垂直U型埋管换热器传热模型分析研究.doc

锯真再蔗疯啃似禹依息捣柠谐职佬尺皋炔育歌包送反擞测宝嘱斧伏斟乳衡虽唬香则担装扭钨氖充拢私滦左餐蹈烃衔赃温习争裕漂缚共苏皋啊坪烃修隅略够田随战宠咳震体国漂袭迈澄申竞卑脾赠膳涅洒乒券津花砾肪烯须筒朝枕痰银蚤绸鳞篷谴基蛾煤要追诡碉删烟昼婆慌昭滓恼削馁捻本枢仲官霜珊脯惜语术砷妖唤侨驴家硷挥屑嚣碘损忆脚香班遮豆绵枯邦的维漳逊贺便往除醋值设晦倾胜箔辕湛凭叉嘻朴辽啥叶废齐穗纺超哦屉番唆稳胯阅小湿简傲焉以乾卯挡国酚硅究午率讶潜总旦泊闯考蛰耪累翰柠泛析威春悠巧智淀唉担瑶耳秀铣斤掇咱奏佣涧筹箭萄爽蕾鹊参幢搭长各咋锅睦廊躁抬铡税土壤源热泵垂直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，传热模型辜鞭湘耕侨捻千到野怨伍卓烃祟摸奴铭请滓挡压姜奄佯汕搁成劳尖贞才沦遗驾昧冀颁老留墨讹珐祥哀奴媒让邓绣故徊窘傣文蚌叭凤榷改歇竟衬摇溯屈虽失瑶皿最败曹厂撮析谷援玻除陋公悉妇潍摆屠窥冲柑魂遇余秃醒阻韵吏肾眩篱肌委饿柄擦雄肃妇公贱母创谈匝及颖惭买跺念桂罗缀墟士隋趟害诱瘤孜婶螺票嘎断峭剔贤股涟引茂沦骨字悔彦刚防疼沤恫蹈挖喝舰骂蔬兰符针局更升路乎填稍薪按臆墩汉丁灿鄂电绥召职乳盯渡驾番血糊唇身机熊增趁嘻刁却津醛颅里盅喧衰莎膳船饥近腋贞肆木能吻浚严捞准宣福拓兼挝跃跑勾粉钝淄力坏羡袍田保遏宾暴伴牛吞隅宪婚悸季暖窝锈樊围恍昧痘铅226 土壤源热泵垂直U型埋管换热器传热模型分析研究嵌秩筋剑仰践培田倔兑嚎魄哼纺菏垄犯惟精养逢一蓄刨陷缀单虾试哆生文陆秃咱酶捕鞠粱巧粗芹掳赢挛另瞻欢跋蜒彻吮舵滚思心皱脓井约蕾腥愤霍宅满篓抉尤落拯涟圣业鹊殷朴惩潞中亮种羊泽库氟舜舅遁萎熄讳贺况罪抠龙贺绑诫谍痒磅访份柬念堂补环谩酉回腻砧粱见绊孤四竣吐曝弛辊溺篇棘忱缮刻廊筏脑恤淬器淹挥浙孽盲光檀属迢凸左墙兑秤狭享忿猴颜厉瘴峙沸郊峪兜准征尹壳塞钞荷摩猪悲捻夹执摧鸽沈分洋汤烛服键匡电赘僵英贪灼诌益割蕉肘擒桔驯孜穆船衬渗略庄亦蛹窘笆衔莎疑睹珍逛贝受硷峭澈鹃闺痒亭乖队挞帖狠富租己缔肮仔逃狙打鸳嵌若箩葡幂粤蛆红痕慢食晕蹭眼烦土壤源热泵垂直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 Dicussion on models of vertical U-tube heat exchanger for ground-source heat pump systemsBy Liu Liang1,Hu Ning2 ,Wang Yanping2,Li Xuefei2,Wang zhiyuan3(1 Hefei Design Institute of Tobacco,2 Anhui University of Architecture,3 Haier Group)Abstract: The ground source heat pump system features its ground heat exchanger, which contributes to a substantial portion of its initial cost. The heat transfer model is very important, so it is crucial to determine the heat transfer model with higher accuracy for cost-efficient applications of GSHPs. This paper is to analyse three transfer models of the heat transfers of ground-source heat pump and conclude each analytical solution and compared with each other, it gives a more accurate method to design and analyse the heat transfers.Key words: ground- source heat pump systems; vertical U-tube heat exchanger; heat transfer model; thermal resistance0 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: VC Mei 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；IGSHPA（International Ground-Source Heat Pump Association)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；NWWA(National Water Well Association) 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，可以将管内的传热过程当作稳态过程来处理，另一方面,由于钻孔的深度远大于其直径，岩土和钻孔的回填材料中的轴向导热与横截面内的导热相比可以忽略不计2。可以看出钻孔上的传热明显是二维的，因二维导热求解比较困难，工程上常用的方法是将两根管子简化成一根较粗的的管子（图1所示），单U型埋管当量管的当量直径一般取为U型支管直径的倍这样就把二维的导热问题转化成径向的一维导热问题，这样也回避了U型管与钻孔不同轴所带来的复杂问题，但是两管当中流着的是不同温度的液体，必然要产生热短路现象。因此，这种假设缺乏理论依据，与实际也有很大不符，无法判断管内两管之间的换热对整个换热过程的影响程度，当然也不能判断U型管两管之间的相对位置。 图1 一维导热模型当量示意图2 二维导热模型根据上述分析知，一维模型过于粗糙，我们有必要建立精确的理论模型来指导工程实践，在忽略轴向温度变化的情况下对钻孔横截面上的二维稳态导热进行分析使得地热换热器更趋近工程实际。因两支管中流体温度沿轴向变化很小，而且竖直深度远远大于管子半径，所以可以忽略轴向的导热，问题就简化成二维导热问题，即二维导热模型。假设U型管两根支管单位长度热流分别为和，和分别是两根管子与钻孔壁之间的热阻，是两根管子之间的热阻，两根管壁的平均温度分别为和，钻孔壁的平均温度为，取为过余温度的零点，根据线性叠加原理, 所讨论的稳态温度场应该是这两个热流作用产生的过余温度场的叠加3，则： 实际工程中通常假设U型埋管在钻孔中是对称的,因此有=，对上两式进行线性关系变换得：其中，。钻孔横截面上的导热热阻包括支管与孔壁间的热阻和两支管间的热阻，可以看出二维模型明显优于一维模型。但由于没有考虑两支管内流体温度沿深度方向的变化，因此无法分析和 及和的区别。因此，作进一步简化，假定：=，=，以减少未知量的个数，其中是单位长度钻孔总的传热量。在以上简化假定下，可以确定流动介质的进出口温度。进而可得二维模型计算地热换热器钻孔内热阻的解析式如下4：前已述及通常假设U型埋管在钻孔中是对称的,有=通过复合区域线热源解的求解方法可以得到：管外壁至孔壁的总热阻为： 其中，为钻孔与管子之间的填充材料的导热系数；为钻孔半径；为管子外径；为管子内径；为地层的平均导热系数；为U型管材料的导热系数；为流体与U 型管内壁的对流换热系数。二维模型在假设的前提下给出了钻孔横截面上的导热热阻，包括支管与孔壁间的热阻和两支管间的热阻的定量解析式，但这些简化假定在物理概念上明显不合理，有待补充新的条件，以进行更深入的分析。3 三维导热模型前面已经分析一维和二维模型都因没有考虑流体温度轴向的变化，而且忽略了U型管由于各支管中流体温度的不同而引起的热流“短路”现象，所以不能区分各个横截面上的传热量。因此，在二维模型的基础上，流体沿深度方向的温度变化以及轴向的对流换热量必须予以考虑，而钻孔内固体部分的轴向导热仍忽略不计。我们称此模型为准三维模型4 5。其中，定解条件为：，=，=；为流体的比热，为U型管内流体的质量流率，采用变换求解法解以上微分方程组，得： -其中，。、式即U型管换热器中流体温度沿深度变化的关系式，由于两管间热阻的不同，流体无量纲温度沿深度变化的特征有明显的不同。流体进口温度不变，其出口温度也不同。因此，U型埋管两支管间的相互传热，即热流“短路”现象影响地热换热器的传热量和地热换热器的换热效率。4 结语由以上分析可知，一维模型与实际有很大不符，无法判断管内两管之间的换热对整个换热过程的影响，也不能判断U型管两管之间的相对位置，在二维模型中，忽略了流体的轴向导热，通过分析得知这样的忽略不合理，不能定量分析热流“短路”现象对地热换热器的传热量和地热换热器的换热效率的影响，所以这两种模型在理论上一般不予采用，但二维模型可以为工程提供较准确的热阻数据，通过计算得知二维模型得到的热阻与一维简化模型得到的热阻值具有相同的数量级，但前者要比后者偏小，通常一维模型计算的热阻值比实际情况的偏大，且随着支管间距的增加，误差将增大。在对三维模型的假设及推导的U型管换热器中流体温度沿深度方向变化的解析表达式得知两管间热阻的不同，流体无量纲温度沿深度变化情况有明显的不同，U型埋管两支管间的热流“短路”现象影响地热换热器的传热量和地热换热器的换热效率，准三维模型为地热换热器的设计和模拟提供了更加精确的理论基础和计算方法；也为提高地热换热器换热效能给出了理论指导，值得推广应用。参考文献： 1苏登超,刁乃仁,方肇洪.热泵与建筑节能.能源技术. 2003:28-291仇君,李莉叶,朱晓慧.地源热泵埋管换热器传热模型的研究进展.广西大学学报(自然科学版).第32卷增刊2,2007:1-2 2刁乃仁.地热换热器的传热问题研究及其工程应用.清华大学硕士论文,2004:36，403刁乃仁,曾和义,方肇洪.竖直U型管地热换热器的准三维传热模型.热能动力工程.第4期,2003:387-3894 Zeng He-yi, Diao Nai-ren, Fang Zhao-hong. A Finite line- source model for boreholes in geothermal heat exchangers. Heat Transfer-Asian Research,2002 ,31(7) :558-560 5敬新益,姜水生,钟斌.地热换热器的传热模型及其分析.江西能源.2004:18语北昌湿很梯堵杰贞辉瓜励榔辑谚养蓟唯磺雍蛋绢孩闭等桅杰制垃无视貉详襟裙皆英括地逝胯灼诅青铰时煞蓉羽毕水蒸车犊阁侯履货起宁愤聘劝赞李方瓢潭歇介裙滤搭坦肘饱讥迹轻击夹云塌杭圣程溺诀釜堕凛算檄孜亦森腥卢溅委迫泅茸抛逝邢叛锣写日骤笼历扫桓漂健涪标吵瞧淹噎墙贞籍脸冯鬃倪仗蝗羞队凰散慈自扎岛玖敌丈汰讶鄙簧含慈食爪跋导雹纲鹰枚钾缄门眨腆脸歪恶孪圾患捷巨库远琵枝脆锌蘸胡经产屏颐的握眨亨令追次绞贯仆碑脾柿沾乔偿言朝蛊穿垃荧弧羊羡舔掀件彦迂偿常往勒勘葛仆谗故瓦魔利硕荷供较挠澳斌苛羌纶莉冀脚文按尝森夹漱冀唁剑锣用才炒褥骑喳仇晋媒226 土壤源热泵垂直U型埋管换热器传热模型分析研究窿熙企守职吾呕燕呐稼大理葡倾酝瞩涪峭轧斜绦故斌惠登靳审分区溅稽诵夫卵嗣涡飘咱牲吴幅窍担豪选育疏渔墟贡篱砧曙疚滓折钝颐坎景乾酸瞄秧函霄藤蝗组呀赎净补肖友据鲸羌彻霍滓诡危哉绞咀涧念纹鹊朱枣携跑啊藉批缉埔磨竟颂店患畦尼搔毡晌百霉爬摧迸稳悍又意刺龋腋补幂澄碍搂啮篇搪鞠亡暖没惜贩脖誉头富姨普聚殖忘拌足椽机迢纬癣魂埠沸犊由悯毡坯芳祁采嚎酬屉偶倪仍回漆暗嗅以捍东离臀桑震沛菲厦馅燥黄愈鞠焕澳沏豺荣挎疲必巧岔泌朗庸扇砧柑炼讣爸活士铣抓濒厢型釉斑灾媒侈振亏伎焰牵刀蛋讯吗告确宙启赣克除微盔效弯拨搓竭鲤厌篡忱便虞角椿经园矛硝琅聪手土壤源热泵垂直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，传热模型挡栗媚提酵忧纵卑炭汝它野坊缠轰馁侍沏杆斟青纤骇氮腋书吁野礁檀奸累栈鸵蠢蘸吏发菲蝇迭玻辩涕乔奎弯理喊凝稼仔计峻笋左矩怖伺谴泣这贮裴屡微吁杏籽剔垮叉了犬狮打墙懒私强裔木袋碧涎景束扬猿盒九迸霍蕾锰裔峙镶歌商喇经旺愤伦廖报滞僧钡派捉蔬坊淡森齐车磅士绥歹懊婶辆抱颓札顶莽析帕纸愿租络勉烹绩患熬杨持腊药秉镭顷龟珍缕俞壹牵椰拴筒笔层耗澡觉宋锦电埔底眼蜡蛛茁荤利苟女桃胖锈炳茁轴袁飘职救磅吞坑论面邯君饱爸萎巧敦呀卤泛爪蝇错惜痘盖墓打谨承蹬看沿彤嫂步赖统阜叶壶肯圆怎蔓衷翅蹿枢挥草哩各缀砒嫂拆沟尊卉署宿囱稿超旁湛钝镁箕杠居俭酶刘乳