文档介绍：・122・1地埋管换热器的分析(1地埋管换热器的传热地埋管地源热泵系统利用地埋管换热器与岩土体进行热交换。地埋管换热器设计是否合理,决定着系统的经济性和运行的可靠性。地埋管换热器由埋于地下的密闭循环管组构成。根据管路埋置方式不同,分为水平埋管和竖直埋管2种。水平埋管投资少、施工简单;竖直埋管占地少、换热性能稳定。竖直埋管的研究与应用远远多于水平埋管。与常规换热器相同,地埋管换热器的传热性能也受到传热温差、传热面积和传热热阻的影响。但是,地埋管换热器的传热是埋管中流体与岩土层的换热,其情况多变,传热条件复杂。在不同的地层设置地下埋管,涉及不同的地质情况,岩土层成分、含水量和地下水的运动等,都会影响换热器的传热性能。负荷的间歇性及全年负荷的不平衡等因素,也对其传热性能有重要影响。地埋管换热器的传热过程又是非稳态的,涉及的时间跨度很长,空间区域很大。因此,地埋管换热器传热模型以及相应的设计方法的研究是地埋管地源热泵系统的难点,也是这项技术研究的核心和应用的基础。在理想情况下,地埋管换热器传热模型应能描述岩土热物性、温湿度、管材、管径、管中流体物性、流速等诸多因素对传热的影响,但这将使数学求解十分困难,因此通常只使用简化的传热模型。迄今为止,还没有普遍公认的模型和规范。地埋管换热器的传热模型大多忽略了对流的影响,采用纯导热模型。这些传热模型大体上可分为3类。第1类传热模型是以热阻为基础的半经验性的设计计算公式。这种方法概念简单、清晰,容易为工程技术人员接受,因此在工程中得到应用。但由于各项热阻的计算做了大量简化假定,使得模型过于简单,难以考虑各种复杂的因素。第2类传热模型是以数值计算为基础,用有限元或有限差分法求解地下的温度响应,可以考虑比较接近现实的情况进行传热分析。但是这种分析方法将耗费大量的计算时间,目前还只适于研究工作中的参数分析,而不适于工程设计和实际工程模拟。第3类传热模型是由瑞典学者首先提出的。这种利用叠加原理的模型也是基于热阻的概念,利用解析法和数值法混合求解的手段,较精确地描述单孔恒定热流的温度响应,再利用叠加原理得到在变化负荷作用下多孔的实际温度响应。该方法简化假定最少,可以处理复杂的多孔几何布置以及负荷随时间变化的问题。我国学者发展了这种方法,找到一些传热过程的解析解,可以直接在计算程序中调用并进行计算,提高了计算精度和计算速度,使该方法更加完善和实用。(2影响换热的岩土因素无论管内的流体从地层吸热,还是向地层放热,尽管热流的方向不同,而传热模型是相同的。管内流体与岩土之间存在一个通过多层介质的导热过程,其过程涉及5层热阻:①对流换热热阻,主要取决于流体的流速;②管壁热阻,主要取决于埋管的导热系数;③回填材料热阻,主要取决于回填材料的导热系数;④地层热阻,主要取决于岩土的导热系数,也与热负荷作用的时间有关;⑤附加热阻,主要取决于地埋管的布置形式、间距及负荷的平衡程度。前3项热阻称为钻孔内热阻,通常可以按稳态传热过程来考虑。后2项热阻称为钻孔外热阻,必须采用非稳态的传热模型来分析。钻孔内热阻比较容易调控,钻孔外热阻的影响因素主要有岩土热物性、岩土体温度特性和地下水渗流。目前,地埋管换热器埋管深度多为60~100m,国外埋管深度最深已超过了180m。不同的岩土层所对应的热物性不同。岩土层热物性参数对岩土层换热能力、蓄热能力具有决定性作用。岩土层中也存在着固体(矿物质和有机物、液体(水和气体(空气三相物质,它们对岩土层的热物性参数产生不同程度的影响。这些物性参数主要有密度、含水率、空隙比、饱和度、容积比热、导热系数和热扩散收稿日期:2008-04-15。作者简介:胡连营(1963-,男,辽宁营口人,研究员,硕士,从事热能利用技术的研究与开发。E-mail:hu-ly@地埋管地源热泵系统地源热泵技术讲座(四胡连营(辽宁省能源研究所,辽宁营口115000中图分类号:TK523文献标志码:B文章编号:1671-5292(200804-0122-。岩土层导热系数和热扩散系数是比较重要的参数。导热系数表示岩土的热传导能力,主要取决于土壤和岩石的种类及其密度、含水率、孔隙度和饱和度。不同地区,甚至同一地区不同区域岩土层的导热系数差别都很大,通常须现场测定和计算。热扩散系数是导热系数与容积比热的比值。它反映了地层传递和存储热量的能力。由于岩土的含水量和空隙度直接影响岩土的导热系数和容积比热的大小,所以热扩散系数也随含水量和空隙度的不同而不同。岩土体温度可通过测量或计算确定。对于水平埋管,岩土体温度的确定相对比较复杂,除了要知道其平均值,还要知道每年土壤表面温度的波动情况。对于竖直埋管,岩土体温度可取岩土