地埋管換熱器孔內(nèi)熱阻影響研究*

齊 子 姝

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)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(fù)荷極不平衡地區(qū),作為暖通空調(diào)系統(tǒng)其中一種形式—豎直式地埋管換熱器系統(tǒng)可解決建筑物冷熱負(fù)荷問題.目前我國積極推廣應(yīng)用可再生能源,截止2010年底,地源熱泵供暖制冷面積達(dá)到1.4億m2,地源熱泵系統(tǒng)可為實現(xiàn)我國可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃目標(biāo)[1],積極改變能源結(jié)構(gòu).通過研究地埋管換熱器孔內(nèi)熱阻模型,考慮各因素對熱阻影響規(guī)律,為工程設(shè)計和運(yùn)行預(yù)測提供途徑,以便指導(dǎo)工程實踐.

1 孔內(nèi)熱阻模型建立

地源熱泵地埋管換熱器孔內(nèi)傳熱復(fù)雜,受埋管孔內(nèi)的幾何尺寸、位置、數(shù)量及孔內(nèi)各物質(zhì)物性參數(shù)影響,并與地源熱泵運(yùn)行時間有關(guān).系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時,孔內(nèi)瞬態(tài)傳熱,一般認(rèn)為當(dāng)運(yùn)行時間大于3h～6h,孔內(nèi)溫度變化不大及物質(zhì)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(nèi)傳熱熱阻Rn[2-3]由三項組成,即：Rud為地埋管導(dǎo)熱熱阻；Rh為回填材料導(dǎo)熱熱阻；Rn=Ruc+Rud+Rh.式中，Ruc為埋管內(nèi)對流換熱熱阻.

地埋管的導(dǎo)熱熱阻:

式中,Dp為地埋管外徑,m;λp為地埋管導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K).

回填材料導(dǎo)熱熱阻：

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

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

表1 地埋管孔內(nèi)相關(guān)參數(shù)

2 計算結(jié)果及分析

2.1 孔徑

圖1為地源熱泵地埋管孔內(nèi)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(yīng)的管脛距增加,孔內(nèi)熱阻增大.當(dāng)孔直徑增大2.67倍,熱阻增大2.34倍,可見孔內(nèi)熱阻受孔直徑影響較大.但孔直徑受占地面積和鉆孔費(fèi)用的限制,因此，孔內(nèi)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(nèi)管脛距

圖2為地源熱泵地埋管孔內(nèi)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(dāng)管脛距增大,孔內(nèi)支管之間熱影響削弱,孔內(nèi)熱阻較小.當(dāng)孔內(nèi)管脛距增大12.5倍,孔內(nèi)熱阻減小至54.9%.計算結(jié)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(nèi)熱阻的影響不大.

2.3 回填材料導(dǎo)熱系數(shù)

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

圖3 材料導(dǎo)熱系數(shù)與熱阻

圖4 巖土導(dǎo)熱系數(shù)與熱阻

2.4 土壤導(dǎo)熱系數(shù)

圖4為地源熱泵地埋管孔內(nèi)熱阻受巖土導(dǎo)熱系數(shù)影響變化曲線.隨巖土導(dǎo)熱系數(shù)增大,孔內(nèi)熱阻變化較小.當(dāng)巖土導(dǎo)熱系數(shù)增至16倍,孔內(nèi)熱阻僅減小2.89 %,基本保持不變.

3 結(jié)論

本文通過研究地源熱泵地埋管換熱器孔內(nèi)熱阻計算模型,分析計算孔直徑、管脛距、回填材料和巖土導(dǎo)熱系數(shù)各因素對孔內(nèi)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(chǔ).

參 考 文 獻(xiàn)

[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(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006:46-48.