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多维度视角下竖直地埋管传热特性与系统经济性深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展，能源需求日益增长，传统化石能源的过度开采和使用引发了严重的能源危机与环境问题。煤炭、石油和天然气等化石能源不仅储量有限，且在燃烧过程中会释放大量二氧化碳、氮氧化物和颗粒物等污染物，导致温室效应、酸雨和雾霾等环境问题，对人类的生存和发展构成了巨大威胁。在这种背景下，开发和利用可再生能源成为解决能源和环境问题的关键途径。

地源热泵系统作为一种高效、环保的可再生能源利用技术，近年来受到了广泛关注。它利用地下浅层地热资源进行供热和制冷，具有节能、环保、稳定等诸多优点。地源热泵系统通过地下埋管换热器与土壤进行热量交换，冬季从土壤中提取热量为建筑物供暖，夏季将建筑物内的热量排放到土壤中实现制冷，其能效比传统空调系统高出30%以上，可有效降低能源消耗和温室气体排放。据国际能源署（IEA）的数据显示，截至2022年，全球地源热泵装机容量已超过100GW，并且每年以10%的速度增长。在北欧国家，地源热泵技术已经得到广泛应用，其中瑞典拥有全球最高的地源热泵普及率，达到了75%。

竖直地埋管作为地源热泵系统的关键组成部分，其传热特性直接影响着地源热泵系统的性能和效率。不同形式的竖直地埋管在传热过程中表现出不同的特性，例如U形管、套管式、螺旋管式等，它们的结构差异会导致传热面积、传热路径和流体流动状态的不同，进而影响传热效果。此外，土壤的热物性参数、埋管深度、管内流体流速和温度等因素也会对竖直地埋管的传热特性产生重要影响。深入研究不同形式竖直地埋管的传热特性，对于优化地源热泵系统设计、提高系统性能和降低运行成本具有重要意义。

同时，系统经济性是衡量地源热泵系统可行性和推广应用的重要指标。地源热泵系统的初始投资成本相对较高，包括地下埋管换热器的建设、热泵机组的购置和安装等费用，这在一定程度上限制了其大规模推广应用。因此，开展地源热泵系统的经济性分析，综合考虑初始投资、运行成本、维护费用和使用寿命等因素，寻找降低成本的有效途径，对于提高地源热泵系统的市场竞争力和推广应用具有重要的现实意义。

综上所述，研究不同形式竖直地埋管传热特性及系统经济性，不仅有助于深入理解地源热泵系统的工作原理和性能影响因素，为系统的优化设计和运行提供理论依据，还能促进地源热泵技术的推广应用，推动能源结构的调整和优化，对于实现能源的可持续利用和环境保护目标具有重要的战略意义。

1.2国内外研究现状

地源热泵技术在全球范围内受到了广泛关注，各国学者针对竖直地埋管传热特性及系统经济性开展了大量研究。

在传热特性研究方面，国外起步较早。瑞典学者Bengtsson于1977年首次将地源热泵技术应用于住宅供暖，此后，众多学者围绕竖直地埋管的传热模型展开深入研究。Kavanaugh和Rafferty提出了线热源模型，该模型将埋管视为线热源，忽略了埋管的直径和回填材料的影响，虽然计算简便，但精度有限。随着研究的深入，准三维模型逐渐被广泛接受，如Eskilson提出的g-函数法，该方法考虑了土壤的热物性、埋管间距和运行时间等因素，能够更准确地描述地埋管的非稳态传热过程。在实验研究方面，ArifHepbasli通过对单U地埋管的运行特性实验，测量了冬季运行期间地埋管的进出口水温，计算了机组的性能系数COP，并提出了对于特定的制热量存在一个最佳循环水流量的结论。KyoungbinLim对垂直地埋管换热器进行了热反应实验，测试了地埋管在钻孔内的换热表现，验证了地下水流动、环境温度、埋深对换热的影响。

国内对竖直地埋管传热特性的研究也取得了丰硕成果。赵红军、欧健等人建立了地源热泵垂直埋管换热器的三维数值模型，通过实验对数值模型进行验证，并利用该模型分析了埋管内水流流速、水温以及钻孔内不同埋管和回填材料对地埋管换热器性能的影响，结果表明地埋管换热器的单位延米换热量随着回填材料导热系数、管内流速、进口水温、埋管的导热系数的增加而增大；埋管管壁的平均温度随着管内流速、进口水温、埋管的导热系数的增加而增大，但随着回填材料导热系数的增加而减小。王洪利、田景瑞等人基于ANSYS软件并结合唐山地区气象资料和土壤特性，建立了该地区地源热泵U型埋管非稳态温度场的数学模型并进行了性能分析，模拟结果表明该地区最佳埋管间距约为4m，并确定了给定条件下的热作用半径及土壤特性与热平衡时间的关系。

在系统经济性分析方面，国外学者从生命周期成本（LCC）的角度对不同形式竖直地埋管地源热泵系统进行了研究。如Cimmino和Nicolosi通过建立经济模型，分析了初始投资、运行成本、维护费用和设备寿命等因素对系统经济性的影响，结果表明虽然