地源热泵埋管换热器传热模型的研究进展

doc.docsou.com 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Couvillion模型、V.C.Mei模型.

(1)IGSHPA模型.IGSHPA(InternationalGround-SourceHeatPumpAssociation)模型是北美确

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