摘要：科靈KL-0523熱泵機(jī)組土壤源熱泵系統(tǒng)廣泛使用的地下?lián)Q熱器形式，而地下?lián)Q熱器是地源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分。考慮U型管的實(shí)際形狀，借助數(shù)學(xué)方法和數(shù)值分析軟件，建立了地下垂直埋管換熱器傳熱模型，并通過編程求解數(shù)學(xué)模型，得到了系統(tǒng)短期運(yùn)行不同工況下理管周圍土壤的溫度場分布情況。通過分析得出土壤導(dǎo)熱系數(shù)、土壤比熱、鉆孔回填材料導(dǎo)熱系數(shù)以及U型管間距的大小對埋管的換熱性能具有直接影響。得出的結(jié)果可為合理設(shè)計(jì)地下埋管換熱器提供參考。 地源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，其制冷、制熱系數(shù)與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50%~60%。因此，近年來地源熱泵節(jié)能裝備在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發(fā)展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用?？深A(yù)測，該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)成為21世紀(jì)最有效的供熱和供冷空調(diào)技術(shù)。當(dāng)前的地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，垂直U型埋管因較其它埋管方式具有節(jié)地、效率高及性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而成為地源熱泵地下埋管的主流形式。因此，建立較為準(zhǔn)確的埋管傳熱模型并進(jìn)行埋管和土壤間的傳熱分析是合理設(shè)計(jì)地下埋管的前提與基礎(chǔ)。 垂直U型埋管與土壤之間的傳熱過程是一個(gè)涉及時(shí)間尺度很長、空間區(qū)域很大的復(fù)雜非穩(wěn)態(tài)過程。U型埋管傳熱分析的眾多研究者中，大多是基于等效管理論，即將垂直U型埋管處理成當(dāng)量直徑的圓管。這種理論忽略了兩支管間的熱干擾。本文所進(jìn)行的數(shù)值模擬考慮U型管的實(shí)際形狀，借助數(shù)學(xué)方法和數(shù)值分析軟件，以熱平衡理論和導(dǎo)熱微分方程為基礎(chǔ)，建立了地下垂直埋管換熱器傳熱模型，對地源熱泵系統(tǒng)夏季運(yùn)行時(shí)埋管徑向周圍土壤溫度場進(jìn)行模擬分析，為合理設(shè)計(jì)地下埋管換熱器提供參考。傳熱模型1.1物理模型 垂直U型埋管換熱器通常是把管子埋在地表以下的豎直鉆孔中并用回填材料填實(shí)，流體在U型埋管內(nèi)流動(dòng)并與土壤進(jìn)行換熱，如圖1所示。換熱管以及管內(nèi)流體、回填材料、鉆孔壁和土壤構(gòu)成了地下?lián)Q熱器的傳熱介質(zhì)，因此，埋管與土壤之間的換熱實(shí)際上是一個(gè)通過多層介質(zhì)的導(dǎo)熱過程，具體由6個(gè)換熱過程組成:換熱管內(nèi)對流換熱過程、換熱管壁的導(dǎo)熱過程、換熱管外壁面與回填材料之間的傳熱過程、回填材料內(nèi)部的導(dǎo)熱過程、回填材料與孔壁的傳熱過程80mm，其他模型幾何尺寸和物性參數(shù)同上。圖3(兩支管間距180mm)、圖7分別給出了3種不同U型管間距時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行240h后埋管周圍的土壤溫度場。管間距為180mm時(shí)，約在x一0，y一1.5處為16℃;管間距為120mm時(shí)，約在x~0.2，y一1.5處為16℃;管間距為90mm時(shí)，約在x一0.3，y一1.5處為16℃。說明埋管兩支管中心間距越大越有利于換熱，這是因?yàn)橹Ч苤行拈g距越大，支管間傳熱相互影響越小，越有利于埋管與土壤之間的換熱。但在工程應(yīng)用中應(yīng)與經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合考慮。3結(jié)束語 本文考慮U型管的實(shí)際形狀，通過建立垂直U型埋管換熱器周圍土壤溫度場的物理模型和數(shù)學(xué)模型，編制程序求解數(shù)學(xué)模型，得到了不同工況下埋管周圍土壤的溫度場分布情況。通過對系統(tǒng)短期運(yùn)行(10d)的模擬分析得到，土壤導(dǎo)熱系數(shù)、土壤比熱、鉆孔回填材料導(dǎo)熱系數(shù)以及U型管間距的大小直接影響著埋管的換熱性能:土壤的導(dǎo)熱系數(shù)越大越有利于換熱，土壤的比熱越大越不利于換熱，回填材料導(dǎo)熱系數(shù)越大越有利于換熱，埋管兩支管中心間距越大越有利于換熱。因此確定地源熱泵系統(tǒng)方案之前，對土壤性能的測定和回填材料的選取應(yīng)加以重視，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)注重U型管的間距。
