1垂直埋管地热换热器钻孔内的传热分析.pdf

第 25 卷 　第 3 期 太　阳　能　学　报 Vol 25 , No 3 2004 年 6 月 　　　　　　　　　　　　　 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA 　　　　　　　　　　　　　 J uly , 2004 文章编号 :(2004) 竖直埋管地热换热器钻孔内的传热分析 曾和义, 刁乃仁 , 方肇洪 ( 山东建筑工程学院地源热泵研究所,济南 250014) 摘 　要 : 准三维模型为竖直埋管地热换热器的结构优化提供了较为精确的理论基础。利用准三维模型对竖直埋管地热 换热器进行分析与研究得出 , 不同的行程布置对双 U 型埋管地热换热器的传热性能有较大影响。就钻孔内热阻的对 比 , 双 U 型埋管比单 U 型埋管钻孔内的热阻低 , 因而双 U 型埋管地热换热器较单 U 型埋管地热换热器更为合理。 关键词 : 地源热泵 ; 地热换热器 ; 传热 ; 热阻 中图分类号: T K512 + 3 　　　　文献标识码 : A 示。这是在美国主导的形式。另一种是在一个钻孔 0 　引　言 埋设两组 U 型管 , 可称作双 U 型埋管地热换热器 , 地源热泵空调系统是利用蕴藏于大地内的大量 在欧洲有较多应用[3 ] , 如图 1b 所示。双 U 型埋管 低品位能量来为建筑物供热空调提供冷热源的新颖 结构的地热换热器由于增加了钻孔内的传热面积 , 的空调设备[1 ] 。由于在地表数米以下的土壤温度 使得钻孔内传热热阻降低 , 从而对于确定的换热负 几乎常年维持不变 , 因而使得地源热泵空调系统在 荷可以减小钻孔深度 ; 当然 , 相应地也增加了管材 运行当中具有较高性能系数。这对于降低建筑供热 和管件的费用。因此 , 不同结构形式的地热换热器 和空调能耗、减小 CO 排放量、保护环境具有重大 在传热性能和经济性方面的优劣仍然是研究者和工 2 的意义[2 ] 。 程师们正在探讨的课题。 ( 设置地热换热器是闭环地源热泵 或称地下偶 ) 合热泵 空调系统的最大特点。这种地热换热器中 的传热是管内流体与周围岩土之间的换热 , 与两种 流体之间换热的常规换热器有很大的不同。通常地 热换热器有水平和竖直两种布置方式。竖直布置的 地热换热器通常都是在钻孔内布置 U 型的塑料管 , 再加上回填材料 , 与周围岩土构成一个整体。由于 竖直埋管地热换热器具有占地少、工作性能稳定等 优点 , 已成为工程应用中的主导形式。对其传热模 型的研究也就成为开发地源热泵空调系统首要的课 题。地源热泵空调系统的主要缺点是其地热换热器 的初投资较高 , 这也是阻碍地源热泵空调系统的发 展的主要原因之一。因此 , 对地热换热器的结构进 图 1 　竖直 U 型埋管地热换热器示意图 行优化 , 并提供可靠的设计计算模型是降低地热换 Fig1 　The schematic diagram of vertical Utube ground heat exchangers 热器造价的重要途径 , 也是推广地源热泵技术的关 键之一。 钻孔内热阻计算的正确与否 , 对于地热换热器 采用竖直 U 型埋管的地热换热器的结构形式 的设计以及模拟结