地埋管换热器孔内热阻影响研究*

齐 子 姝

(吉林建筑大学市政与环境工程学院,长春 130118)

地源热泵是高效利用可再生能源及节能的有效方法和途径.除了一些冷热负荷极不平衡地区,作为暖通空调系统其中一种形式—竖直式地埋管换热器系统可解决建筑物冷热负荷问题.目前我国积极推广应用可再生能源,截止2010年底,地源热泵供暖制冷面积达到1.4亿m2,地源热泵系统可为实现我国可再生能源发展“十二五”规划目标[1],积极改变能源结构.通过研究地埋管换热器孔内热阻模型,考虑各因素对热阻影响规律,为工程设计和运行预测提供途径,以便指导工程实践.

1 孔内热阻模型建立

地源热泵地埋管换热器孔内传热复杂,受埋管孔内的几何尺寸、位置、数量及孔内各物质物性参数影响,并与地源热泵运行时间有关.系统刚开始运行时,孔内瞬态传热,一般认为当运行时间大于3h～6h,孔内温度变化不大及物质热容量忽略时,可近似视为稳态传热过程.

地源热泵地埋管孔内传热热阻Rn[2-3]由三项组成,即：Rud为地埋管导热热阻；Rh为回填材料导热热阻；Rn=Ruc+Rud+Rh.式中，Ruc为埋管内对流换热热阻.

地埋管的导热热阻:

式中,Dp为地埋管外径,m;λp为地埋管导热系数,W/(m·K).

回填材料导热热阻：

式中,λh为回填材料导热系数,W/(m·K);Db为地埋管孔直径,m;β0和β1是与埋管管胫距有关的热阻形状因子.

本文利用地埋管孔内相关物性参数及几何尺寸,通过编程计算孔直径、埋管孔内管胫距以及回填材料和岩土热物性参数对埋管孔内热阻的影响规律(见表1).

表1 地埋管孔内相关参数

2 计算结果及分析

2.1 孔径

图1为地源热泵地埋管孔内热阻受孔直径影响变化曲线.地埋管孔直径一般为100mm～200mm.随孔直径增大,相应的管胫距增加,孔内热阻增大.当孔直径增大2.67倍,热阻增大2.34倍,可见孔内热阻受孔直径影响较大.但孔直径受占地面积和钻孔费用的限制,因此，孔内热阻的变化有限.

图1 孔直径与热阻

图2 管胫距与热阻

2.2 孔内管胫距

图2为地源热泵地埋管孔内热阻受管胫距影响变化曲线.地埋管孔直径为120mm时,不断改变管胫距,当管胫距增大,孔内支管之间热影响削弱,孔内热阻较小.当孔内管胫距增大12.5倍,孔内热阻减小至54.9%.计算结果显示,热阻受管胫距影响近线性,因此可知，仅利用改变管胫距对孔内热阻的影响不大.

2.3 回填材料导热系数

图3为地源热泵地埋管孔内热阻受回填材料导热系数影响变化曲线.随孔内回填材料导热系数增大,孔内热阻减小.当材料导热系数增至10倍,孔内热阻减小至19.1%.近年来，研究人员不断研发高导热系数回填材料[4],这有利于较小孔内热阻,可降低成本.

图3 材料导热系数与热阻

图4 岩土导热系数与热阻

2.4 土壤导热系数

图4为地源热泵地埋管孔内热阻受岩土导热系数影响变化曲线.随岩土导热系数增大,孔内热阻变化较小.当岩土导热系数增至16倍,孔内热阻仅减小2.89 %,基本保持不变.

3 结论

本文通过研究地源热泵地埋管换热器孔内热阻计算模型,分析计算孔直径、管胫距、回填材料和岩土导热系数各因素对孔内热阻的影响规律,为地源热泵实际工程计算奠定理论基础.

参 考 文 献

[1] 彭源长.可再生能源发展“十二五”规划发布[N].中国电力报,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.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社,2006:46-48.