齊 子 姝

(吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院,長春 130118)

地源熱泵是高效利用可再生能源及節(jié)能的有效方法和途徑.除了一些冷熱負荷極不平衡地區(qū),作為暖通空調系統其中一種形式—豎直式地埋管換熱器系統可解決建筑物冷熱負荷問題.目前我國積極推廣應用可再生能源,截止2010年底,地源熱泵供暖制冷面積達到1.4億m2,地源熱泵系統可為實現我國可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃目標[1],積極改變能源結構.通過研究地埋管換熱器孔內熱阻模型,考慮各因素對熱阻影響規(guī)律,為工程設計和運行預測提供途徑,以便指導工程實踐.

1 孔內熱阻模型建立

地源熱泵地埋管換熱器孔內傳熱復雜,受埋管孔內的幾何尺寸、位置、數量及孔內各物質物性參數影響,并與地源熱泵運行時間有關.系統剛開始運行時,孔內瞬態(tài)傳熱,一般認為當運行時間大于3h～6h,孔內溫度變化不大及物質熱容量忽略時,可近似視為穩(wěn)態(tài)傳熱過程.

地源熱泵地埋管孔內傳熱熱阻Rn[2-3]由三項組成,即：Rud為地埋管導熱熱阻；Rh為回填材料導熱熱阻；Rn=Ruc+Rud+Rh.式中，Ruc為埋管內對流換熱熱阻.

地埋管的導熱熱阻:

式中,Dp為地埋管外徑,m;λp為地埋管導熱系數,W/(m·K).

回填材料導熱熱阻：

式中,λh為回填材料導熱系數,W/(m·K);Db為地埋管孔直徑,m;β0和β1是與埋管管脛距有關的熱阻形狀因子.

本文利用地埋管孔內相關物性參數及幾何尺寸,通過編程計算孔直徑、埋管孔內管脛距以及回填材料和巖土熱物性參數對埋管孔內熱阻的影響規(guī)律(見表1).

表1 地埋管孔內相關參數

2 計算結果及分析

2.1 孔徑

圖1為地源熱泵地埋管孔內熱阻受孔直徑影響變化曲線.地埋管孔直徑一般為100mm～200mm.隨孔直徑增大,相應的管脛距增加,孔內熱阻增大.當孔直徑增大2.67倍,熱阻增大2.34倍,可見孔內熱阻受孔直徑影響較大.但孔直徑受占地面積和鉆孔費用的限制,因此，孔內熱阻的變化有限.

圖1 孔直徑與熱阻

圖2 管脛距與熱阻

2.2 孔內管脛距

圖2為地源熱泵地埋管孔內熱阻受管脛距影響變化曲線.地埋管孔直徑為120mm時,不斷改變管脛距,當管脛距增大,孔內支管之間熱影響削弱,孔內熱阻較小.當孔內管脛距增大12.5倍,孔內熱阻減小至54.9%.計算結果顯示,熱阻受管脛距影響近線性,因此可知，僅利用改變管脛距對孔內熱阻的影響不大.

2.3 回填材料導熱系數

圖3為地源熱泵地埋管孔內熱阻受回填材料導熱系數影響變化曲線.隨孔內回填材料導熱系數增大,孔內熱阻減小.當材料導熱系數增至10倍,孔內熱阻減小至19.1%.近年來，研究人員不斷研發(fā)高導熱系數回填材料[4],這有利于較小孔內熱阻,可降低成本.

圖3 材料導熱系數與熱阻

圖4 巖土導熱系數與熱阻

2.4 土壤導熱系數

圖4為地源熱泵地埋管孔內熱阻受巖土導熱系數影響變化曲線.隨巖土導熱系數增大,孔內熱阻變化較小.當巖土導熱系數增至16倍,孔內熱阻僅減小2.89 %,基本保持不變.

3 結論

本文通過研究地源熱泵地埋管換熱器孔內熱阻計算模型,分析計算孔直徑、管脛距、回填材料和巖土導熱系數各因素對孔內熱阻的影響規(guī)律,為地源熱泵實際工程計算奠定理論基礎.

參 考 文 獻

[1] 彭源長.可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃發(fā)布[N].中國電力報,2012-08-08.

[2] Xiaowei Xu.Simulation and optimal control of hybrid ground source heat pump systems,PhD Dissertation[D].Oklahoma State University,Oklahoma,USA,2007.

[3] Yavuzturk C,Spitler JD,Simon JR.A transient Two-dimensional finite volume model for the simulation of vertical U-tube ground heat exchangers[J].ASHRAE Transactions,1999,105(2):465-474.

[4] 刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術[M].北京:高等教育出版社,2006:46-48.