豎直地埋管換熱器的傳熱分析方法概述

刁乃仁^1,2   崔萍¹  方肇洪^1,2

1. 省部共建教育部可再生能源建筑利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東建筑大學(xué)，濟(jì)南
2. 山東中瑞新能源有限公司，濟(jì)南

   0.引言

    根據(jù)布置形式的不同，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的地埋管換熱器大致可分為水平埋管與豎直埋管換熱器兩大類。由于豎直地埋管換熱器具有占地少、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此已成為工程應(yīng)用中的主導(dǎo)形式。根據(jù)在豎直鉆孔中布置的埋管形式的不同，豎直地埋管換熱器又可分為U型埋管換熱器與套管式地埋管換熱器。套管式埋管換熱器在造價(jià)和施工難度方面都有一些弱點(diǎn)，在實(shí)際工程中較少采用。它的傳熱模型與U型埋管地埋管換熱器基本相同，僅在鉆孔內(nèi)的傳熱分析方面有小的差異，對此本文主要討論豎直U型地埋管換熱器的傳熱分析。

    與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是其地埋管換熱器的初投資較高，這也是阻礙地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展的主要原因之一。地埋管換熱器設(shè)計(jì)是否合理，決定著地源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性，建立較為準(zhǔn)確的地下傳熱模型是合理地設(shè)計(jì)地埋管換熱器的前提。設(shè)置在不同場合的地埋管換熱器將涉及不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括各地層的構(gòu)造、含水量和地下水的運(yùn)動(dòng)等，這些當(dāng)然都會(huì)影響到地埋管換熱器的傳熱性能。此外，地埋管換熱器負(fù)荷的間歇性及全年吸放熱負(fù)荷的不平衡等因素，也對其傳熱性能有重要影響。因此，提供可靠的設(shè)計(jì)計(jì)算模型，并對地埋管換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是降低地埋管換熱器造價(jià)的重要途徑，也是科學(xué)合理應(yīng)用地源熱泵空調(diào)技術(shù)的關(guān)鍵之一。

    地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算需要滿足的最主要的條件是要保證在地埋管換熱器的整個(gè)壽命周期中循環(huán)介質(zhì)的溫度都在設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)，設(shè)計(jì)者根據(jù)這一目標(biāo)選擇地埋管換熱器的布置形式并確定埋管的總長度。地埋管換熱器傳熱分析的另一個(gè)目的，或稱為模擬計(jì)算，是在給定地埋管換熱器布置形式和長度以及負(fù)荷的情況下，計(jì)算循環(huán)液溫度隨時(shí)間的變化，并進(jìn)而確定系統(tǒng)的性能系數(shù)和能耗，以便對系統(tǒng)進(jìn)行能耗分析。豎直地埋管換熱器的傳熱分析及其計(jì)算方法主要有三種，分別在下面做簡要介紹。

    需要指出，現(xiàn)在在我國地源熱泵行業(yè)流行的把所謂“每延米換熱量”作為設(shè)計(jì)依據(jù)的方法是不妥的。這個(gè)概念缺乏明確的定義和理論依據(jù)，僅可以作為方案設(shè)計(jì)的估算，它不可能考慮地埋管換熱器的各種實(shí)際參數(shù)，如鉆孔間距、冷熱負(fù)荷的平衡等的影響，用這個(gè)參數(shù)來青島地埋管的總長度是不符合國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范GB50366-2005》的要求的。

   1.工程設(shè)計(jì)用的半經(jīng)驗(yàn)公式方法

    關(guān)于地埋管換熱器的傳熱分析，迄今為止還沒有國際上普遍公認(rèn)的模型和規(guī)范。由于多孔介質(zhì)中傳熱傳貭問題的復(fù)雜性，國際上現(xiàn)有的地埋管換熱器傳熱模型大多采用純導(dǎo)熱模型，忽略了多孔介質(zhì)中對流的影響。它們大體上可分為兩大類。第一類是以熱阻概念為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)計(jì)算公式，主要用來根據(jù)冷、熱負(fù)荷估算地埋管換熱器所需埋管的長度[1-3]。這類方法中以國際地源熱泵學(xué)會(huì) [ International Ground Source Heat Pump Association （IGSHPA）] 推薦的方法影響最大，我國制定的《地源熱泵供熱空調(diào)技術(shù)規(guī)程》 [4] 中基本上參考了IGSHPA方法。因此，在本文將適當(dāng)介紹IGSHPA方法和其它有關(guān)的方法。

    由于地埋管換熱器中的傳熱過程是三維非穩(wěn)態(tài)的傳熱，影響因素非常復(fù)雜，很難用簡單的公式加以描述和概括，因此在實(shí)際工程中還廣泛采用以半經(jīng)驗(yàn)公式為主的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，主要用來根據(jù)最大冷、熱負(fù)荷估算地埋管換熱器所需埋管的長度。這類半經(jīng)驗(yàn)方法的概念相對地簡單明了，比較容易為工程技術(shù)人員接受。其缺點(diǎn)是各熱阻項(xiàng)的計(jì)算都做了大量的簡化假定，模型過于簡單，能夠考慮的因素有限，特別是難于考慮冷、熱負(fù)荷隨時(shí)間的變化和全年中冷、熱負(fù)荷的轉(zhuǎn)換和不平衡等較復(fù)雜的因素，因此它對各種復(fù)雜條件的普遍適用性還值得不斷地探討和驗(yàn)證。此外，即使是這種最簡單的以半經(jīng)驗(yàn)公式為主的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，因?yàn)槠渲蟹磸?fù)用到指數(shù)積分函數(shù)，對于工程中實(shí)際遇到的多孔的地埋管換熱器，實(shí)際的計(jì)算工作量也太大，以至于也必需借助于適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)軟件來進(jìn)行。

    在這一類方法中，以國際地源熱泵協(xié)會(huì)（IGSHPA）和美國供熱制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ASHRAE）曾共同推薦的美國俄克拉荷馬州立大學(xué)（Oklahoma State University）提議的方法 [2] 影響最大。我國的國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程（GB50366－2005）》在附錄中列出的設(shè)計(jì)計(jì)算方法就是沿用了這一思路。對于豎直埋管的地埋管換熱器，該方法的要點(diǎn)如下：

    首先收集和確定一組設(shè)計(jì)所需的初始數(shù)據(jù)，包括當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)和巖土的性質(zhì)以及傳熱特性、選用的熱泵的特性、建筑供熱和供冷的負(fù)荷、選用的管材的特性等。然后根據(jù)最冷的一月份和最熱的七月份計(jì)算地埋管換熱器所需的長度。

    計(jì)算地埋管換熱器所需的長度時(shí)按以下步驟：

    1）確定埋管的平面布置并計(jì)算巖土的傳熱熱阻。設(shè)計(jì)者必須先確定管群的布置形式及其間距。對于一些選定的布置形式，這一方法基于Kelvin線熱源理論并以連續(xù)運(yùn)行1500小時(shí)為基準(zhǔn)計(jì)算巖土的熱阻，并以圖表的形式給出計(jì)算結(jié)果以供設(shè)計(jì)時(shí)選用。

    該方法定義單個(gè)鉆孔地埋管換熱器的巖土熱阻為：

    閱讀全文：豎直地埋管換熱器的傳熱分析方法概述.pdf

    注：本文為《地源熱泵》“本期專題”連載內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載。如果您對地埋管換熱器方面有任何問題，歡迎來電或給我們發(fā)送電子郵件，我們將選擇部分典型問題擇期在《地源熱泵》雜志上統(tǒng)一刊登和解答。 
    咨詢電話：010-64656526；電子郵箱：services#dyrbw.com(將#換為@后發(fā)送，請?jiān)卩]件主題處標(biāo)注“地埋管換熱器相關(guān)問題”字樣，以免工作人員誤刪。)