e竖直埋管换热器传热计算方法研究.docx
《e竖直埋管换热器传热计算方法研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《e竖直埋管换热器传热计算方法研究.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
e竖直埋管换热器传热计算方法研究
第1章引言
1.1研究背景
1.1.1热泵技术及地源热泵系统
随着能源危机的加剧，人们开始清楚的意识到，在合理开发利用常规能源的同时，也要大力发展清洁的可再生能源，这要求人们必须对于社会能源消耗情况要有清楚的认识。
地源热泵系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术的环保能源利用系统。
地源热泵系统通常是转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方，还利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环系统，实现节能减排的功能。
地源热泵系统作为热源对建筑物进行供热和空调,与空气热源相比,有全年温度波动小、数值相对稳定等优点,具有良好的节能与环境效益,近年来在国内得到了广泛应用。
地埋管地源热泵系统是利用2O0m以内浅层地壳中热量的地源热泵系统,它采用地埋管换热器（geothermalheatexchanger）与大地（地层土壤、地下水）进行换热,规避了地下水地源热泵的问题,同时保留了该系统的优点,有着广阔的适用范围,因此将成为地源热泵供热空调技术的主导形式。
本文重点介绍地源热泵系统。
地源热泵系统包括一室内部分和两部分组成的室内部分包括热泵和管道系统（或风机盘管系统），类似于常规空调系统的腔室外部;地埋管换热器部分的室外部分（见图1.1）。
图1.1地源热泵流程示意图
1.1.2地源热泵系统的优点
1、高效节能，稳定可靠
地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为17度，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%～60%，因此要节能和节省运行费用40%－50%左右。
2、使用寿命长
地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达50年。
要比普通空调高35年使用寿命。
3、节省空间
没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。
4、实现了水资源的循环利用
地源热泵热源的形式多样化，无论是干净清澈的地下水，资源量大而无法高效利用的海水，还是生活和工业生产废水，抑或者地表水，都可以高效的加以利用，实现太阳能量的转移，实现可持续绿色环保的发展战略。
1.2地埋管换热器研究的国内外现状
1.2.1国外现状
20世纪20年代以来,随着能源危机和环境问题的出现并且日益严重,土壤源热原系统因节能、节水而普遍受到欧美各国等的关注,地源热泵的研究进人了高潮。
1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%,其中在新建筑里面占30%;据1999年的统计,欧洲的一些国家在家用的供热装置中地源热泵所占比例如下:
瑞土为96%、奥地利为38%、丹麦为27%。
1912年，瑞士人H.Yellowly[1]首次提出了利用土壤作为热泵系统热源的设想，随后申请了专利。
50年代初，美国，英国开始使用地热盘管做家用泵，并开始研究土壤耦合热泵。
土壤耦合热泵与早期使用的研究工作主要有：
①1947年英国电气研究协会开始研究地下埋管热泵。
②1948年Inkslinger和Glass[2]根据Kelvin线性源理论提出了地下埋管换热器的线性源理论[3]。
③1953年，美国电力协会认为这个时期的试验还没有提供出可供使用的设计方法。
由于这个时期的能源价格低，土壤源热泵系统的初投资高，使得这种系统并不经济。
此外，土壤源热泵系统因其计算复杂、土壤对金属的腐蚀等原因，使得对该系统的早期研究高潮。
在图1.2中，给出了1983~2007年期间美国地源热泵系统每年的安装数量曲线[4]。
图1.21983~2007年美国地源热泵年安装数量[5]
截至2009年，美国在运行的地源热泵系统约为100万套，地源热泵系统年消耗一次能源约为7.47×106kW·h，为1990年的5倍[6]。
20世纪50年代，美国，英国开始使用地源热泵线圈做家，并开始研究土壤耦合热泵。
土壤耦合热泵与早期使用的研究工作主要有：
图1.3欧洲部分国家地源热泵安装数量[5]
从图1.3得出，德国、英国、奥地利的地源热泵体系建立的比较多。
从发展速度，瑞典，每地源热泵系统的全年安装约40,000台，居欧洲之首。
除了瑞典，市场的增长在德国，法国，芬兰，瑞士，奥地利，挪威，很快，在2006年，增长率为45％，奥地利市场，德国市场120％的增长速度。
2008年，欧洲整体装机量约为13.5万~19万台。
研究的具体内容可以归结为地下埋管换热器内钻孔内的热阻和土壤导热系数的求解等两方面，主要代表有[7]：
①1987年，Bennetetal.采用多级法得到了钻孔内热阻的表达式。
该表达式分两部分，第一部分其实为线源公式，第二部分为线源公式的一阶修正。
该结果应用在了EED设计软件以及GLHEPRO4.0上。
②1991年，Hellstrom得到了钻孔内热阻的另一解析解，该公式被称为线源公式。
这一方法应用在了DST项目上。
③1996年，Paul通过实验测试的结果，得出了地埋管换热器钻孔内热阻的表达式，该表达式囊括了钻孔内地埋管的三种典型布置情况。
④2009年，Harshawetal.通过建立地埋管换热器的二维数值模型，模拟得到了典型情况下地埋管换热器钻孔内的热阻，并通过拟合得到了热阻的表达式。
⑤2010年，RichardA.Bevier在Marcola和Pasquinade提出P线性表达式的基础上，得到了新的钻孔内热阻解析解，该结果适用于热响应测试后期，计算地埋管换热器埋管内流体温度的沿程分布。
1.2.1国内现状
我国近地表资源比较多，在未来的日子里,中国面临着巨大的能源和环保压力,中国的经济要保持较高速度的增长同时又必须考虑环保和可持续发展问题。
与此同时,科技部委托的中国企业公司正酝酿将美国的地源热泵技术及设备引进中国市场,这将促进我国地源热泵技术的市场化产业化的发展,并使我国地源热泵的钻探建设尽快跟上国外潮流,所以我们有理由相信,在充裕研习借鉴国际先进技术和运转经验的基础上,在各个政府的有力帮助下,科技界和企业手中，依靠自己的力量完全有能力在短时间内发展。
1.3本文研究内容及其意义
1.3.1研究内容
U形垂直地埋管换热器管的主要应用形式，垂直接地热管换热器与周围土壤之间的热传递分析是非常复杂的,除了地埋管换热器的构造和几何配置外,还有许多因素影响地埋管换热器的性能,比如土壤初始温度分布、土壤湿度程度、土壤热物性、地下水流动、土壤可能的冻融等。
此外,地埋管换热器负荷的变化不平衡因子和每年的加热和冷却负荷，也有对其传热性能的重要影响。
本文将重点放在U形垂直地源热泵系统来研究，改进和完善地下传热模型的地热管传热机理,并与己有的传热模型进行比较,进而确定竖直U型埋管较为准确的模型,并在此基础上提出地热换热器新的计算方法,为地热换热器的设计提供准确、快速的计算方法。
1.3.2理论意义和应用价值
地源热泵技术在中国的应用在短时间内投资，缺乏成熟的设计与施工技术的经验和能力可变地址的气候条件和建筑空调系统，地源热泵系统的理论探讨和技术应用远远没有完成。
（1）理论意义
以热阻为基础的设计计算多采用半经验公式方法,但近来精确解析解的分析方法在设计中应用越来越广泛,该方法在有限长线热源模型应用最为广泛,并且形成了较成熟的g一函数方法。
该方法克服了半经验方法的计算粗糙、考虑因素过少的缺点,同时也解决了数值方法计算模拟时间过长、难以直接应用工程实践的问题。
（2）应用价值
地埋管换热器设计是不是适合关系着地源热泵体系利用的经济性和运转的可靠性。
合理的设计能够保持地源热泵良好的运行状态,减少地埋管换热器安装初始成本和整个系统生命周期的运行成本。
因此,创建较为正确的地下传热模型是合理规划地埋管换热器的重点。
因为地下传热的多变性,地埋管换热器的传热模型钻探是地源热泵体系的重点,同时亦是地源热泵技术的焦点和应用核心。
由于地源热泵本身的节能环保优势以及对我国气候条件的适应性,地源热泵的市场发展具有广阔的空间。
第二章钻孔外的传热模型
在处理单孔传热问题上时,一个重要的分析模型就是以钻孔壁为界,把所涉及的空间区域划分为钻孔外的岩土部分和钻孔内两部分,选用不一样的简化假定来进行分析。
钻孔外传热必须考虑岩土的蓄热和放热,采用非稳态的传热模型进行分析研究。
由于U型管深度（40-2OOm）都远大于钻孔的直径（0.-0.15m）,因此钻孔中的埋管都被看成一个线热源或线热汇,如图2.1示。
岩土均匀的热性能，并且不随温度而变化的基础上，该项目可以更加关注井壁温度不同代表任何分析。
温差钻孔壁温度和钻头之间的电阻引起的，可以得到的管循环流体的进出口温度随时间的变化。
图2.1U型埋管与简化模型示意图
2.1无线长线热源模型
地下管线被广泛应用于传热模型LS1开尔文线源模型，设计大部分地源热泵系统作为基础理论的无限源泉。
1991[GSHPALV]模型方法是标准的北美模型，以确定地下管换热面积。
该模型是无限长的线热源作为钻孔，地下岩石为半无限介质，忽略钻孔深度的影响，所以一维热模型。
传热过程中简化条件如下:
l）地下土壤温度均匀;
2）地下土壤热物性是平均的,且不随温度的转变而转变,具备常物性;
3）忽略井孔的几何形状和热容量，和钻井约无限线源；
据无限线源模型，从一开始线源与热源周围土壤释放（或吸收）恒热负荷时，热传导方程为：
（2.1）
其中,r为钻孔半径,;b为钻孔壁半径,a为土壤热扩散率,ks为土壤导热系数,q口为单位钻孔深度上的热流密度,T0为土壤初始温度。
其土壤无量纲温度分布为[8]:
（2.2）
从图2.2中可以看出,G一函数与对数时间成线性关系。
说明了当时间趋于无限长时,介质温度场一直增加,不会趋于稳定。
圆柱面热源模型假定钻孔为无限长圆柱,土壤为无限大介质,其钻孔周围土壤温度分布式为:
（2.3）
图2.2无限长线热源模型G-函数
2.2有限长线热源模型
2.2.1数学模型
有限长热源模型首先由Eskilstuna[19]提出来的,Maelstrom[18],Spitz,Zeno,Lamaistic等对有限长线热源模型的理论创
升级会员 