地源热泵埋管换热器传热模型的研究进展.doc

1、地源热泵埋管换热器传热模型的研究进展http:/ 2008 年 09 月 25 日 16:04 生意社地源热泵埋管换热器传热模型的研究进展 仇君 李莉叶 朱晓慧(广西大学机械工程学院 广西南宁 530004)摘要:分析了国内外地源热泵埋管换热器的传热模型,指出了目前尚存在的问题,提出建立考虑地下水运动影响的更完善的传热模型,这对地源热泵技术在我国南方富水土壤地区的有效推广和应用有着极为重要的意义.关键词:地源热泵埋管换热器;传热模型;地下水渗流;热湿迁移中图分类号:TU111.1 文献标识码 :A地源热泵技术是一种非常有发展前景的环保节能型空调技术,而且已经成为我国暖通空调行业的热点,成为国家

2、建设部重点推广的生态建筑和节能、环保的新技术之一.地埋管地源热泵系统由于具有性能系数高、节能效果好、利用可再生能源、环保效果好、系统简单等优点,在欧美应用较为广泛,但在我国尚处于起步阶段,目前只有很少的地埋管地源热泵机组成功运行.我国地域辽阔,蕴藏着丰富的地表浅层(通常小于 400m)地热资源,因此有效利用浅层地热资源 ,以克服传统热泵空调技术中的局限与不足,是非常有意义和有实用价值的.而作为地源热泵应用关键技术之一的地下埋管传热模型研究,一直是国内外地源热泵研究的一个重点和难点.由于地下换热极其复杂,想对其进行精确模拟是不可能的,只能采用近似模拟的方法.地下埋管换热器传热模型的选用对地源热泵

3、的研究和技术推广极为关键.合理的模型能较准确地反映地下换热机理并指导选择合适的换热器形式和埋管方式,并做出更准确的经济评价.实践证明,一个好的传热模型用来指导工程应用是完全可行的.1 地源热泵埋管换热器传热分析及传热模型地埋管换热器中的传热过程是一个复杂的、非稳态的传热过程,所涉及的时间尺度很长,至少为数月至数年;该传热过程所涉及到的几何条件和物理条件也非常复杂.从总的方面来说,地埋管传热模型的主要目的是拟建热泵运行期间大地的温度场分布.理想情况下,传热模型应能描述土壤热物性、密度、温湿度、管材、管径、管中流体物性、流速等诸多因素对传热的影响,但这将使数学求解十分困难,因此通常的研究都只能使用

4、简化的传热模型.所以,至今在国际上还没有一致公认的地埋管换热器的设计计算方法;地埋管换热器传热模型的研究一直是地源热泵空调系统的技术难点,同时也是该项技术研究的核心和应用的基础.到目前为止,已提出的地埋管换热器传热模型有 30 余种,有稳态的、动态的,有一维、二维、三维有限差分法或二维有限元法等等.所有模型建立的关键是求解岩土温度场的动态变化,基本理论有三种:(1)1948 年 IngersollandPlass 提出的线源理论,它是目前大多数地热源热泵设计的理论基础;(2)1983 年 BNL 修改过的线源理论 ,它和线热源理论的不同点在于它考虑了盘管内流体的流动性能特征;(3)1986 年

5、 V.C.Mei 提出的三维瞬态远边界传热模型,该理论建立在能量平衡基础上,区别于线源理论,考虑了土壤冻结相界面的移动以及回填土等因素的影响.下面分别对国外和国内的有关地源热泵埋管换热器传热模型的研究进展做更详尽的总结.1.1 国外目前国外应用比较广泛的传热模型主要有三种:V.C.Mei 模型,IGSHPA 模型和 NWWA 模型.不同的分类标准传热模型有很多分类,这里根据模型计算方法的不同将模型分为三类,分别如下(由于篇幅限制,详细的讨论只选其中代表性的几个 ):采用解析法的传热模型主要有:Ingersoll 模型、IGSHPA 模型、Kavanaugh 模型、Hart 和Couvillio

6、n 模型、V.C.Mei 模型.(1)IGSHPA 模型.IGSHPA(InternationalGround-SourceHeatPumpAssociation)模型是北美确定地下埋管换热器尺寸的标准方法.该模型以 Kelvin 线热源理论为基础,以年最冷月和最热月负荷为计算依据来确定地下埋管换热器的尺寸,并利用能量分析的 BIN 方法计算季节性能系数和能量消耗.该模型考虑了多根钻孔之间的热干扰,及地表面的影响.但是没有考虑热泵机组的间歇运行工况、灌浆材料的热影响、管内的对流换热热阻.不能直接计算出热泵机组的进液温度,而是使用迭代程序得到近似的其它月的平均进液温度.实际应用表明,应用该模型计

7、算换热器的尺寸一般会偏大 10%30%.(2)Kavanaugh 模型.Kavanaugh(1984)以 Ingersoll(1954)等改进的圆柱热源理论为基础 ,建立了埋管(柱热源) 到周围土壤随时间变化的温度分布传热模型.假设条件为 :1 传热以纯导热方式进行;2 土壤与埋管接触紧密;3 把土壤看作一无限大物体;4 土壤热物性均匀且不变;5 无地下水流动;6 没有邻近管井的热干扰.该模型考虑了远边界温度随深度和以年为单位的时间发生变化;对 U 型管考虑了热流密度不均匀性的修正,并且考虑了两腿间热短路的修正;热泵机组的间歇运行工况采用叠加原理来考虑;另外也考虑了管内的对流换热热阻.因而可以

8、准确计算出热泵机组进液温度.但是它没有考虑灌浆材料的热影响.(3)V.C.Mei 模型 .该模型建立在能量守恒的基础上,由系统能量平衡结合热传导方程构成.假设条件为:1 岩土是均匀的;2 埋管内同一截面流体温度、速度相同;3 岩土热物性参数不变;4 不考虑热湿迁移的影响;5 忽略埋管与岩土的接触热阻.在这些假设的基础上 ,该模型可以对各截面的径向传热建立方程,通过截面推移得到三维温度场.采用该模型模拟大地温度场的分布,无论是运行期还是过渡期,其计算结果与实测结果都比较吻合.采用数值法的计算模型主要有:V.C.Mei 和 Emerson 模型、NWWA 模型、Glhepro 与Gchpca 模型

9、、Muraya 模型、Rottmayer,Beckman,Mitchell 模型、Shonder 和 Beck 模型、Yavuzturk 模型、T-K.Lei 模型.(1)V.C.Mei 和 Emerson 传热模型.V.C.Mei 和 Emerson 在 1988 年提出的关于垂直埋管的二维瞬态热平衡模型.假设条件为:1 土壤物性均匀一致;2 忽略接触热阻及土壤湿迁移;3 忽略地表面的影响;4 埋管同一截面的流体具有相同的温度与流速;5 忽略热短路的影响;6 忽略土壤在深度方向与圆周方向的导热.该模型适用于水平管段,考虑了管周围冻土影响.(2)NWWA(nationalwaterwellas

10、sociation)模型.该模型是在 Kelvin 线热源方程分析解的基础上建立岩土层的温度场,进而确定换热器的尺寸.它可以直接给出换热器内平均流体温度,并采用叠加法模拟热泵间歇运行的情况.(3)Yavuzturk 模型.Yavuzturk 等 (1999)运用极坐标系( 径向-方位角方向)建立了二维瞬态热平衡模型.将 U 型埋管的两根圆管分别采用非圆管近似代替.将管内流体与土壤的对流换热(即定热流边界条件)作为离散方程中的源项处理 .该模型假设为:1 土壤热物性均匀一致;2 忽略接触热阻及土壤湿迁移;3 忽略地表面对地下换热的影响;4 忽略沿深度方向的传热.采用解析与数值混合解法的模型有:E

11、skilson 传热模型、Hellstrom 模型.Eskilson 模型是基于有限线热源的数值解建立的.该模型由于考虑了钻孔深度的影响,结果更加精确.然而由于求解过程比较复杂,因此 Eskilson 考虑采用“G 函数方法”对传热模型进行近似求解.Eskilson 把钻孔内的热阻分为三部分:两管脚之间的热阻以及每个管脚到钻孔壁的热阻,三者之和构成了钻孔的总热阻,钻孔内传热认为是准稳态传热过程.该模型可以计算钻孔间的热影响,还可以计算不同的建筑负荷.但是也存在一些缺陷:不同钻孔布置的“G 函数”有限,钻孔面积随钻孔深度变化.此外,模型还存在一个合理的时间步长,时间步长太小(2h),需要考虑流体

12、、埋管以及钻孔的非稳态效应,因此不适合于 Eskilson 模型.通过对比我们可以发现,几乎所有的传热模型都没有考虑地下水渗流和热湿迁移的影响.而国内外已有文献表明地下水横向渗流对岩土体传热过程有极大的影响.同时由于土壤的导热系数随着含水量的变化会产生较大的变化,所以热湿迁移对于热泵的换热性能影响也很大.在已知的少量文献中,Eskilson1 利用了 Carslaw2等给出的移动线热源问题的稳态解析解 ,讨论了在达到稳定状态以后渗流对地埋管换热器的影响.由于地埋管换热器涉及的范围大,通常需要数年或更长的时间才能达到基本稳定,因此实际应用中必须讨论瞬态问题.在无法求得解析解的情况下,Chiass

13、on3等人利用有限元法数值求解了二维瞬态的渗流问题,对一些实际问题进行了计算和比较,但未能找到较一般的规律和结论.1.2 国内国内对地埋管换热器传热理论方面的研究起步较晚,而且多以实验研究为主,主要研究成果有:(1)重庆建筑大学刘宪英、胡鸣明、魏唐棣等采用能量平衡法,结合 V.C.Mei 三维瞬态远边界传热模型,建立了浅埋竖管土壤源热泵传热模型;按径向和管长方向建立了二维温度场数学模型;其中包括单管间歇(或连续)运行传热模型、串联套管传热模型、管群传热模型 .该模型得到的理论值经验证,比实验值低 15%左右.(2)青岛理工大学建立了 U 型竖埋管周围岩土体温度场的二维非稳态传热模型,计算结果与

14、实测值吻合较好,并计算得到了 U 型地埋管换热器的热作用半径.(3)同济大学张旭等人建立了一维非稳态传热模型;山东建工学院曾和义等人提出了 U 型埋管换热器中介质轴向温度的数学模型;并开发了有自主知识产权的用于单根 U 型管的地埋管换热器的设计和模拟计算软件“地热之星 ”,已开始推广应用.(4)哈尔滨工业大学提出了准三维非稳态 U 型地埋管换热器传热模型,以对岩土体蓄冷与地埋管地源热泵系统进行研究,模拟值与实验结果有较好的一致性.可喜的是我国的研究人员已经开始了地下水运动对传热影响的研究:天津大学建立了饱和型多孔介质套管式换热器的理论模型4;浙江大学分别建立了考虑地下水运动和考虑热湿迁移的地埋

15、管换热器的传热模型5;山东建工学院建立了有地下水渗流的地埋管换热器传热模型 6;哈尔滨工业大学也建立了考虑热传导和地下水流动共同作用下的地埋管换热器的传热模型,并且对单井地埋管进行了初步分析,结果表明地下水渗流能够增强盘管的换热能力,有渗流的岩土体温度场相对于无渗流的近于中心对称的岩土体温度场已经发生变形,因此如果盘管埋在有渗流的岩土体中,而在设计计算中未考虑渗流的影响,则会造成设计容量偏大,带来经济和资源上的浪费7,8.但是由于该问题的复杂性,目前还没有更深入的理论分析.2 地源热泵技术在我国南方富水土壤地区的应用优势我国南方地区有着丰富的地热资源,而南方的雨水及地下水又比较丰富,土壤以富水

16、土壤为主,而且地下水位高,这就为土壤热交换器闭式地源热泵系统的应用提供了得天独厚的条件.无处不在的水对土壤的传热效率产生了很大的影响,可想而知,同样的热泵功率,在南方地下埋管深度可比北方减少很多,初期投资成本也就大大降低.那么采用一个更完善的传热模型更准确地反映地下换热机理并指导选择合适的换热器形式和埋管方式,并做出更准确的经济评价就显得极为重要了.3 结论目前虽然很多研究者认识到地下水渗流和热湿迁移对地埋管换热器的传热产生重要的影响,也做过一些定性的分析,但是由于该问题的复杂性,至今很少见到深入的理论分析.因此,在进一步完善地埋管换热器与岩土体的传热模型时,应充分考虑其穿越的不同地质层、地下水运动等因素的影响,这依然是今后完善埋管换热器的传热模型需要考虑的重点.这样的完善的模型对地源热泵技术在我国南方富水土壤地区的有效推广和应用有着极为重要的意义. 参考链接：中国换热器网：http:/