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地源热泵地埋管设计
地源热泵地埋管设计
中南建筑设计院马友才
摘要：根据地埋管传热特性，提出了地埋管换热能效度概念。建立了竖直地 埋管换热器的三维传热模型，模拟计算了地埋管换热器能效度在不同埋设深度条 件下的分布。揭示了高Re求解流体与固体间的传热，壁面附近的黏性支层区 域采用标准壁面函数法来处理。U形地埋管换热器表面边界条件包括地埋管进水 温度、与周围空气相邻的土壤表面换热，前者为恒定的进水温度，后者为第三类边 界条件，其表面传热系数取19 W/(m2「C)[2]。
3地埋管换热能效度
换热能效度定义
地埋管地源热泵机组的出水进入到地埋管换热器的下降支管与周围土壤进 行换热,从理论上来说地埋管出口流体温度均可以最大限度地接近土壤初温。而 实际的状况是，不管是冬季还是夏季，地埋管换热器的流体出口温度均远离了土 壤初温,造成了换热效率下降。其主要原因一方面是埋管越深钻井难度越大，成本 急剧增加，从经济角度上不允许单井长度较大的地埋管；另一方面地埋管周围土 壤经过一段时间的排/取热堆积了大量的热/冷量而温度升高/降低,因而换热能力 随着时间推移逐渐下降，导致出口温度逐渐上升/降低，使得地埋管出口温度远离 土壤初始温度。
针对地埋管换热器能量交换的特性，为量化地埋管换热效率，定义U形地埋 管换热器能效度E为地埋管换热器实际换热量 Q与最大理论换热量Q的比值, 其表达式为
式中tin,tout,tO分别为U形地埋管换热器流体进口温度、出口温度、土壤 初始温度「C ;G为地埋管内流体的质量流量，kg/s。
地埋管能效度是一个量纲一的量，在取热或排热工况下其取值范围为 0~1,
表征了 U形地埋管与周围土壤换热后管中流体出口温度能够达到的最低或最高 的能力,是换热能力的质特征体现，与地埋管换热器的设计参数相关。它是一个随 换热时间增加 而变化的瞬时量，这与文献［3］中定义的效能概念有着很大的不同。 理论上地埋管能效度E=0时失去换热能力， 理为工程意义上的换热失效；若地埋管换热器的流体出口温度能够无限接近土 壤初温,实际换热量就达到最大理论换热量，此时地埋管能效度E=1。
在流量一定的条件下,U形地埋管支管局部每一段与土壤的换热能力都对地 埋管进出口温差产生作用，可以认为地埋管进出口温差由每小段的温差逐步叠加 而成。为分析各段对地埋管整体换 热能效度的影响，可将地埋管换热器任意分成
N段,则整个地埋管进出口温差可表示为
•,n)
△ t tin - tout= △ t1+ △ t2+ …+ A(4)式中 At 为进出口温差,△ ti(i=1,2, 表示分区段流体温差。
将式⑷两侧同时除以tin-tO,则有
/(J
An
Mi
■ + 八*+
fo
Az,
tn
(5)
Ei
借鉴能效度E的定义,将如下量纲一参数称为地埋管区段换热能效度
Ei = =
L 2, n)
⑹
t v ~ Zo
则地埋管总能效度（全局系数）E为区段换热 能效度Ei之和，即
E = E1+E2+…+En(7)
地埋管换热能效度迁移变化特性为了简便分析研究地埋管换热能效 度变化规律，本文针对地埋管地源热泵系统夏季空调工况进行计算分析。
1）基本模拟计算条件（见表1）
H 1地埋管娃本模拟计算条件
名称
參数
名称
土壤类熨
致密砂土
支管间距23
m m
土壊初始温度r
17
回填材料
様始土壇
地埋管类型
高密度聚乙烯
循环流体介质
水
(HDPE)
埋管内外半径
13/16
流体流連
0. 6
r J rj m m 钻井半径rfc/mm
96
埋育良孚进水
37
钻井深度W/rti
40
2）地埋管埋设深度对能效度的影响
图2为埋设深度H分别为80,60,40 m条件下地埋管换热器能效度变化情
况。运行初期，埋设深度不同的地埋管中水与周围土壤换热的时间不同 ，排出的热
量也有很大的差别，因而地埋管出水温度有较大差异，对应的地埋管换热器能效 度分布有较大的差别，如在地埋管运行1h后，埋设深度为80,60,40 m的地埋管换 ,,,,, C。随 着运行时间的增加，地埋管周围的土壤均不同程度地产生热堆积效应 ，对地埋管
换热器能效度的影响占主导地位，能效度与前一时间段相比均有不同程度的降低 但埋设深度较大的地埋管换热器能效度比其他埋设深度小的换热器大 ，换热能力
强。类似分析可得