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地埋管地源热泵地埋管换热器最佳出口温度的确定

1前言

土壤源热泵系统是利用土壤的蓄冷（热）性能，通过中间介质在封闭的地下换热器中

循环流动，从而实现与土壤的热交换。冬季通过热泵将大地中的热量取出对建筑物供暖，

同时贮存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物的热量释放到地下，对建筑物进行降温，

同时贮存热量，以备冬用。由于其技术上的优势，推广土壤源热泵具有明显的节能和环保

效益。

根据文献，对于土壤源热泵竖直地下埋管换热器，夏季的设计出口温度一般为土

[1]

壤温度加上～℃，冬季的设计出口温度为土壤温度减去～℃。而山东建工学院报

1114811

[2]

告厅地源热泵系统的测试表明，在达到准稳定工况时，夏季地下换热器的出口设计温度

为土壤温度加上～℃，冬季的设计出口温度为土壤温度减去～℃。由以上可知，

20251015

两者给出的夏季和冬季设计出口温度均相差较大，而且都没有从土壤源热泵系统经济性的

角度加以考虑。实际上，地下换热器设计出口温度的高低对埋管长度以及热泵机组的运行

效率都有较大的影响。夏季，随着地下换热器的设计出口温度的升高，所需要的地下埋管

长度变少，系统的初投资降低，而热泵机组的运行效率降低，运行成本就升高；冬季正好

相反。这就存在一个最佳出口温度问题。如何确定地下换热器的最佳设计出口温度，使之

在满足设计条件下土壤源热泵系统的经济成本最低，这将是本文讨论的重点。

2数学模型

地下换热器的设计是土壤源热泵系统设计的最重要部分。在目前的工程设计中，地下

埋管长度主要是根据建筑物的峰值冷负荷或热负荷确定出换热器的放热量或吸热量，然后

确定地下换热器的布置方式，再根据手册中给定的单位管长或单位埋管深度的放热量即可

求出所需的地下埋管长度。这种方法简单，但是没有考虑当地的气候条件，岩土及回填

材料热物性的影响，会使设计结果不准确。

竖直地下换热器与土壤间的传热过程较复杂，对于工程实际应用的模型，可以在空间

上以钻孔壁为界，把地热换热器的传热分为两个区域，分别采用不同的简化假定进行分析

研究。

对于钻孔壁以内的传热过程由于其几何尺寸和热容量相对较小，因此其传热过程可

,

近似按稳态传热过程处理，根据文献建立的二维模型，钻孔内的热阻可表示为：

[3]

4

1rrr11r

RInbInbbInbIn2（）

b0.5{2[r2Dr4D42rh2kr]}1

b2bb1p1

式中λb——钻孔回填材料的热导率；

λ——钻孔周围土壤的热导率；

rb——钻孔半径；

r2——U型埋管管子的外半径；

r1——U型埋管管子的内半径；

D——U型管支管中心至钻孔中心之间的距离；

kp——U型塑料管的热导率。

h——循环液的换热系数

对于钻孔壁至外部土壤之间的传热应按非稳态传热处理在工程计算中常可用线热源

,

[4,5]

模型进行分析研究。在线源模型中，将垂直地下埋管看作一均匀的线热源，并假设该

热源沿深度方向单位长度的散热量为常量，即具有恒定的热流，将管子周围的大地土壤连

同回填部分看作是一无限大的实。土壤中的温度分布可以写为：