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热泵 第 21 届暖通空调制冷学术年会（2018）文集 Heat pump 渗流条件下的地埋管换热器全尺度模型 崔腾飞 1 ，蔡姗姗 1 ，刁广琦 2 1. 430074 2. （ 华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 ； 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北武汉 430000 ） ［摘 要］现有的竖直地埋管换热器分析模型通常忽略地下水流动和钻孔轴向导热的影响，且不适用于整 个时间尺度的流体温升预测，普通的线热源模型产生的热响应延迟导致流体预测温升偏大。本文提出了一种同 时考虑地下水流动和钻孔轴向导热影响的全时间尺度分析模型，适用的时间尺度从几分钟到数十年，并在此模 型基础上进一步分析了钻孔内参数、运行时间和地下水流动对地埋管换热性能的影响。 ［关键词］地源热泵；地埋管换热器；分析解；地下水；全尺度 0 前言 的瞬态传热现象，但此模型并不适用于有地下水流 在很多国家，地源热泵系统是其浅层地热能源 动影响的情况。如果在设计阶段考虑地下水流动的 利用的一种主要方式 [1, 2] 。在闭式地源热泵系统中， 影响，可节约 16% 的投资成本 [9] 。目前虽然出现了 流体介质通过竖直或水平地埋管换热器与土壤进行 考虑地下水流动影响的移动无限长线热源模型和考 换热，可用于环境供热、空调系统、商业或民用建 虑钻孔轴向导热的移动有限长线热源模型，但移动 筑的热水供应等。竖直地埋管换热器因占地面积相 线热源模型由于不考虑钻孔内的传热过程，所以也 对较小，受大气环境和季节变换影响较弱而具有更 不适用于短时间尺度热响应的分析。 大的发展潜力。 因此，本文提出了一种同时考虑短时间尺度热 传统的竖直地埋管换热器传热分析方法是将 响应、地下水流动和钻孔轴向导热影响的分析模型， 换热器的传热过程分为钻孔内的稳态传热和钻孔外 将提出的模型和传统线热源模型和移动线热源模型 的非稳态传热过程两部分。钻孔外的瞬态传热模型 进行了对比，并进一步研究了钻孔内参数、运行时 主要基于 Ingersoll[3] 提出的无限长线热源模型和圆 间和地下水流动等对换热器热响应的影响。 柱热源模型，因为钻孔尺寸相对较小（管长 / 管径 1 模型基本理论 ≈ 150m/0.05m ），钻孔内物质的热容相对周围土壤 有地下水流动时竖直地埋管换热器的简图如图 的热容也很小，所以钻孔内的传热过程可近似为稳 1 所示。假设地下水沿 x 轴单方向均匀流动，Darcy 态传热过程。基于此假设，出现了采用等效直径处 速度为 ud 。 理方法的一维导热模型、考虑 U 型支管相互影响的 二维模型 [4] 以及考虑流体温度变化相互影响的准三 x [5] 维模型 。由于冷热负荷随时间波动的影响，钻孔 z y 内结构的热响应时间大概有数小时，因此，钻孔内 ud 稳态传热的假设显然不够完善。Eskilson[6] 提出钻孔 τ 5r2/a 4~8 内稳态导热的假设要在 ≥ b