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地源热泵的套管式地下换热器传热研究

来源：微智科技网

　　　　　　　　　　　　JOURNALO天津大学学报FTIANJINUNIVERSITY　Vol135　No13　May　2002

　第35卷　第3期2002年6月

地源热泵的套管式地下换热器传热研究

赵　军,袁伟峰,朱　强,周　倩,龚宇烈

(天津大学电气自动化与能源工程学院,天津300072)

　　　　　　　　摘　要:依据能量平衡,建立了地下浅埋套管式换热器传热模型,求解并分析了影响传热的主

要因素,提出了强化换热的措施,给出了相应的函数关系图1关键词:地源热泵;套管式换热器;地下传热

中图分类号:TU11111　　　文献标识码:A　　　文章编号:049322137(2001)0420345203

　　地源热泵以大地为热源和热汇,通过埋入地下的换热器与大地进行冷热交换,实现建筑供热和空调目的.与空气源相比,地源温度比较稳定,可在夏冬两季分别提供相对较低的冷凝温度和较高的蒸发温度.国际最新研究动态表明[1,2],有关埋入地下换热器的传热强化、土壤源热泵系统仿真及最佳匹配参数研究都是地源热泵发展的关键技术课题.

1.2　大地热阻计算

　　参照文献[4],在本文中推算了套管式换热器附近的大地热阻,计算式为

I(Xr4)

(2)　　　　RG=

Κs　　其中,I(Xr4)=

asΡ

　　式中:F为运行时间因子,连续运行时F=1,间隙

∫x

Xr4

∝

e-x

dx;Xr4=

r42

ΣF

1　套管式地下换热器传热平衡式

1.1　大地初始温度的确定

　　在理论模型计算中,需要大地初始温度Ts.由于受地表温度年周期性变化和日周期性变化的影响,大地初始温度Ts也具有周期性特点,并且其变化的幅值随地层深度的增加呈自然指数规律减小.考虑到日周期性波动的周期较小,工程上一般忽略地表温度日周期性变化对地温的影响.地温Ts(x,Σ)随地层深度x和时间Σ的变化按Kusuda分析模型为[3]

(1)x

2Αs

　　式中:x为从地表面算起的地层深度,m;Σ为从地表面温度年波幅出现算起的时间,h;ts(x,Σ)为在Σ

2Αs

ts(x,Σ)=tm+Amexp(-wx)coswΣ2w运行时F为每一个时间周期内运行时间与周期时间

之比;Σ0为从运行开始计算的时间,s;Κs为大地导热系

(m・℃).数,W󰃗

1.3　套管式换热器传热模型建立与求解

　　图2是套管式换热器的运行示意图.运行时,管内流体从环腔流入,内管流出.图3为流体温度沿程示意图.参考图2、3,由能量平衡,得到方程为

αWdt1=KW(t2-t1)dX+KΦ(ts-t1)dX

(3)　　α

Wdt2=KW(t2-t1)dX

Πα式中:X=x󰃗L0为无量纲;W=mαCp;KΦ=kΦd4L0;KW

α=kΠ℃;Cp为定压比热,J󰃗Ξd2L0;W为热流热容量,W󰃗

(kg・℃);mα为质量流率,kg󰃗s;L0为热交换器长度,m;x为距进口的长度,m;d2、d4分别为套管外管外直径与外管内直径,m(见图1);t1、t2、ts分别为流体进口

时该深度x处的地温,℃;tm为地表面年平均温

度,℃;Am为地表面年周期性波动波幅,℃;w为温度年周期性波动频率,w=2Π󰃗T=0.00071725;T为温度

2年波动周期,T=8760h;Αs为大地导温系数,m󰃗s.

温度、流体出口温度和大地初始温度,℃;ϑw为以内管

外侧面积为计算基准的内、外管流体间的总传热系数,

(m2・℃);ϑΦ为以外管外侧面积为计算基准的由W󰃗

(m・℃),忽略岩土至外管流体间的总传热系数,W󰃗外壁面与土壤的接触热阻,

Ξ收稿日期:2001209230.

　　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(59776015)1　　　作者简介:赵　军(19-　　),男,硕士,教授.

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天津大学学报　　　　　　第35卷　第3期　

计算式分别为

ϑw=

　　　ϑΦ=

11d2+

d2Α1d1

d4RG2Κp1i

d4ln

d21+d1Α2d4d4+d3Α3d3

12+2Κp1o

(4)

　　式中:d1、d3分别为套管内管内直径与外管内直

径,m(见图1);Κp1i、Κp1o分别为内管及外管的导热系

(m・℃);Α数,W󰃗、内管外侧、1、Α2、Α3分别为内管内侧

(m2・℃),由以下准则外管内侧的对流换热系数,W󰃗

关系确定(见文献[5]):

Nu=01018Re

图1　竖埋换热器断面图

Fig11　Thecrosssectionofverticalheatexchanger

0182

0152

　　内管外侧

(5)

　　　Nu=01023Re0180Pr0140　　内管内侧

Nu=01016RePr　　外管内侧

α　　令:　Η1=ts-t1,Η2=ts-t2,a=KW󰃗W,

0182

0152

αb=(KW+KΦ)󰃗W

　　式中:Η为温差,℃;a、.方程(3)可被表示b为常数

为

dΗdX=aΗ1󰃗2-bΗ1

(6)　　　dΗ󰃗dX=aΗ-ΑΗ221

　　上述方程可用d’Alambert’s方法求解,求解结果为

3232

(7)　　　Η1=C1exp(Μ1X)-C2exp(Μ2X)　　　Η2=

q223q12

2X)-C11X)exp(Μexp(Μ

p2p1

(8)(9)(10)

　　由边界条件:

　　　Η′1(X=0)=Η1　　　Η1(X=0)=Η2(X=1)

　　由常数C31与C2可以被确定为

q12

)exp(Μ1)p13

　　C2=

q1q222

)exp(Μ)exp(Μ-(1+1)+(1+2)p1p23

　　C3′1=Η1+C2

Η’1(1+

图2　浅埋套管换热器模型

Fig.2　Modelofverticalheatexchanger

2　　式中:　Μi=015α(-1±W

KΦ1+

4KWKΦ

)　(i=1,2)

pivi-a　　　　　　=　　　　　　(i=1,2)

qia

″

　　由上可计算得到:Η2(X=0)=Η2及套管式换热器

的热量输出

′″α=Wα(t″α′

　　　Q2-t1)=W(Η1-Η2)[W]

(11)

2　传热影响因数分析

图3　内、外管流体沿程温度分布

Fig13　Thermalfieldoffluidintube

　　根据上述关系式,可以看出,影响套管式换热器传热量及出口水温的主要因素有:1)套管内水流速度;2)

　2002年5月　　　　　　赵　军等:地源热泵的套管式地下换热器传热研究

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大地初始温度;3)换热器尺寸;4)大地热阻;5)套管内、外管间的热传递.

″ΗKWKΦ2　　图4为′=f(,α)的函数关系图1在计算传

KΦWΗ1

″Η2′αα=WαΗ热量Q时,可据图4查得′值,再由式Q1(1-Η1

″Η2.此外,由图4可以看出′),即可方便地估算出传热量Η1

的增加而减小;此外,KΦ越大,即土壤的导热能力越

好,∃t也越大,这跟实际情况吻合.

3　结　语

　　采用能量平衡,基于土壤介质导热模式,建立了地下浅埋套管式换热器传热模型,并通过模型计算分析了影响传热的各主要因素.利用本文建立的传热模型可以计算套管式换热器的热输出以及套管内的流体温度分布.此外,给出的函数关系图,可以很方便地估算传热量的大小和套管进出口水温差,可用于对套管式地下换热器几何尺寸和结构的优化设计.

　　冬季运行套管温度低于0℃时,套管周围土壤中的水分将结冰,土壤中形成的水蒸汽分压力差,使水蒸汽从周围向套管移动,这对土壤导热的改善有一定作用1此外,水蒸汽液化继而结冰放出的显热和潜热也为热泵提供了附加热量.上述涉及到的相变和传质的过程在今后的传热研究中应进一步探讨.参考文献:

[1]　YanGu,DennisLO’.Modellngtheeffectofback2Neal

fillsonU2tubegroundcoilperformance[J]1ASHRAETrans11998,104(2):356-365.

[2]　ThorntonJeffW,HughesPatrickJetal.Residentialver2

ticalgeothermalheatpumpsystemmodels:calibrationtodata[J].ASHRAETrans,1997,103(2):660-674.[3]　《地下建筑暖通空调设计手册》编写组.地下建筑暖通空

最有利的情况是KW=0.

α图4　Η″′󰃗ΗW,KW󰃗KΦ)2󰃗1=f(KΦ

α″′󰃗Fig14　ΗΗW,KW󰃗KΦ)2󰃗1=f(KΦ

　　图5表明,换热器进出口温差∃t随热流热容量Wα

调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1983.

[4]　CaneRLD.EngP,ForgasDA1Modelingofground2

sourceheatpumpperformance[J].ASHRAETrans,

图5　∃t=f(Wα,KΦ)

Fig15　∃t=f(Wα,KΦ)

1997,(2):909-925.

[5]　BurmeisterLC1Convectiveheattransfer[M]1JohnWil2

ley&Sons,NewYork,1983.

HeatTransferResearchonUndergroundCoaxialPipe

HeatExchangerforGroundSourceHeatPump

ZHAOJun,YUANWei2feng,ZHUQiang,ZHOUQian,GONGYu2lie

(SchoolofElectricalEngineeringandEnergy,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract:Inthispaper,accordingtoenergybalance,theheattransferbalanceformulafortheheatexchangerun2dershallowgroundisestablished,andthesolutionisobtained,thenthefactorsaffectingheattransferprocessareanalyzed,theheattransferenhancementmeasuresarealsoproposed1Accordingtothesolution,thecorrespondingfunctiongraphsofrelationsaregiven1

Keywords:groundsourceheatpump;coaxialpipeheatexchanger;heattransferunderground

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