地源熱泵埋管換熱器傳熱模型的研究進(jìn)展

1、地源熱泵埋管換熱器傳熱模型的研究進(jìn)展 2008年09月25日16:04 生意社                              地源熱泵埋管換熱器傳熱模型的研究進(jìn)展          

2、60;                          仇君  李莉葉  朱曉慧                  &

3、#160;       (廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院  廣西南寧530004)    摘要:分析了國(guó)內(nèi)外地源熱泵埋管換熱器的傳熱模型,指出了目前尚存在的問(wèn)題,提出建立考慮地下水運(yùn)動(dòng)影響的更完善的傳熱模型,這對(duì)地源熱泵技術(shù)在我國(guó)南方富水土壤地區(qū)的有效推廣和應(yīng)用有著極為重要的意義.    關(guān)鍵詞:地源熱泵埋管換熱器;傳熱模型;地下水滲流;熱濕遷移    中圖分類(lèi)號(hào):TU111.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A&#

4、160;   地源熱泵技術(shù)是一種非常有發(fā)展前景的環(huán)保節(jié)能型空調(diào)技術(shù),而且已經(jīng)成為我國(guó)暖通空調(diào)行業(yè)的熱點(diǎn),成為國(guó)家建設(shè)部重點(diǎn)推廣的生態(tài)建筑和節(jié)能、環(huán)保的新技術(shù)之一.地埋管地源熱泵系統(tǒng)由于具有性能系數(shù)高、節(jié)能效果好、利用可再生能源、環(huán)保效果好、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在歐美應(yīng)用較為廣泛,但在我國(guó)尚處于起步階段,目前只有很少的地埋管地源熱泵機(jī)組成功運(yùn)行.我國(guó)地域遼闊,蘊(yùn)藏著豐富的地表淺層(通常小于400m)地?zé)豳Y源,因此有效利用淺層地?zé)豳Y源,以克服傳統(tǒng)熱泵空調(diào)技術(shù)中的局限與不足,是非常有意義和有實(shí)用價(jià)值的.    而作為地源熱泵應(yīng)用關(guān)鍵技

5、術(shù)之一的地下埋管傳熱模型研究,一直是國(guó)內(nèi)外地源熱泵研究的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn).由于地下?lián)Q熱極其復(fù)雜,想對(duì)其進(jìn)行精確模擬是不可能的,只能采用近似模擬的方法.地下埋管換熱器傳熱模型的選用對(duì)地源熱泵的研究和技術(shù)推廣極為關(guān)鍵.合理的模型能較準(zhǔn)確地反映地下?lián)Q熱機(jī)理并指導(dǎo)選擇合適的換熱器形式和埋管方式,并做出更準(zhǔn)確的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià).實(shí)踐證明,一個(gè)好的傳熱模型用來(lái)指導(dǎo)工程應(yīng)用是完全可行的.    1地源熱泵埋管換熱器傳熱分析及傳熱模型    地埋管換熱器中的傳熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的、非穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)程,所涉及的時(shí)間尺度很長(zhǎng),至少為數(shù)月至數(shù)年;該傳

6、熱過(guò)程所涉及到的幾何條件和物理?xiàng)l件也非常復(fù)雜.從總的方面來(lái)說(shuō),地埋管傳熱模型的主要目的是擬建熱泵運(yùn)行期間大地的溫度場(chǎng)分布.理想情況下,傳熱模型應(yīng)能描述土壤熱物性、密度、溫濕度、管材、管徑、管中流體物性、流速等諸多因素對(duì)傳熱的影響,但這將使數(shù)學(xué)求解十分困難,因此通常的研究都只能使用簡(jiǎn)化的傳熱模型.所以,至今在國(guó)際上還沒(méi)有一致公認(rèn)的地埋管換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法;地埋管換熱器傳熱模型的研究一直是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn),同時(shí)也是該項(xiàng)技術(shù)研究的核心和應(yīng)用的基礎(chǔ).    到目前為止,已提出的地埋管換熱器傳熱模型有30余種,有穩(wěn)態(tài)的、動(dòng)態(tài)的,有一維、二維、三維有限差

7、分法或二維有限元法等等.所有模型建立的關(guān)鍵是求解巖土溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化,基本理論有三種:(1)1948年IngersollandPlass提出的線源理論,它是目前大多數(shù)地?zé)嵩礋岜迷O(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ);(2)1983年BNL修改過(guò)的線源理論,它和線熱源理論的不同點(diǎn)在于它考慮了盤(pán)管內(nèi)流體的流動(dòng)性能特征;(3)1986年V.C.Mei提出的三維瞬態(tài)遠(yuǎn)邊界傳熱模型,該理論建立在能量平衡基礎(chǔ)上,區(qū)別于線源理論,考慮了土壤凍結(jié)相界面的移動(dòng)以及回填土等因素的影響.    下面分別對(duì)國(guó)外和國(guó)內(nèi)的有關(guān)地源熱泵埋管換熱器傳熱模型的研究進(jìn)展做更詳盡的總結(jié).  &#

8、160; 1.1國(guó)外    目前國(guó)外應(yīng)用比較廣泛的傳熱模型主要有三種:V.C.Mei模型,IGSHPA模型和NWWA模型.    不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)傳熱模型有很多分類(lèi),這里根據(jù)模型計(jì)算方法的不同將模型分為三類(lèi),分別如下(由于篇幅限制,詳細(xì)的討論只選其中代表性的幾個(gè)):    采用解析法的傳熱模型主要有:Ingersoll模型、IGSHPA模型、Kavanaugh模型、Hart和Couvillion模型、V.C.Mei模型.    

9、(1)IGSHPA模型.IGSHPA(InternationalGround-SourceHeatPumpAssociation)模型是北美確定地下埋管換熱器尺寸的標(biāo)準(zhǔn)方法.該模型以Kelvin線熱源理論為基礎(chǔ),以年最冷月和最熱月負(fù)荷為計(jì)算依據(jù)來(lái)確定地下埋管換熱器的尺寸,并利用能量分析的BIN方法計(jì)算季節(jié)性能系數(shù)和能量消耗.該模型考慮了多根鉆孔之間的熱干擾,及地表面的影響.但是沒(méi)有考慮熱泵機(jī)組的間歇運(yùn)行工況、灌漿材料的熱影響、管內(nèi)的對(duì)流換熱熱阻.不能直接計(jì)算出熱泵機(jī)組的進(jìn)液溫度,而是使用迭代程序得到近似的其它月的平均進(jìn)液溫度.實(shí)際應(yīng)用表明,應(yīng)用該模型計(jì)算換熱器的尺寸一般會(huì)偏大10%30%.&#

10、160;   (2)Kavanaugh模型.Kavanaugh(1984)以Ingersoll(1954)等改進(jìn)的圓柱熱源理論為基礎(chǔ),建立了埋管(柱熱源)到周?chē)寥离S時(shí)間變化的溫度分布傳熱模型.假設(shè)條件為:1傳熱以純導(dǎo)熱方式進(jìn)行;2土壤與埋管接觸緊密;3把土壤看作一無(wú)限大物體;4土壤熱物性均勻且不變;5無(wú)地下水流動(dòng);6沒(méi)有鄰近管井的熱干擾.該模型考慮了遠(yuǎn)邊界溫度隨深度和以年為單位的時(shí)間發(fā)生變化;對(duì)U型管考慮了熱流密度不均勻性的修正,并且考慮了兩腿間熱短路的修正;熱泵機(jī)組的間歇運(yùn)行工況采用疊加原理來(lái)考慮;另外也考慮了管內(nèi)的對(duì)流換熱熱阻.因而可以準(zhǔn)確計(jì)算出熱泵機(jī)組進(jìn)液

11、溫度.但是它沒(méi)有考慮灌漿材料的熱影響.    (3)V.C.Mei模型.該模型建立在能量守恒的基礎(chǔ)上,由系統(tǒng)能量平衡結(jié)合熱傳導(dǎo)方程構(gòu)成.假設(shè)條件為:1巖土是均勻的;2埋管內(nèi)同一截面流體溫度、速度相同;3巖土熱物性參數(shù)不變;4不考慮熱濕遷移的影響;5忽略埋管與巖土的接觸熱阻.在這些假設(shè)的基礎(chǔ)上,該模型可以對(duì)各截面的徑向傳熱建立方程,通過(guò)截面推移得到三維溫度場(chǎng).采用該模型模擬大地溫度場(chǎng)的分布,無(wú)論是運(yùn)行期還是過(guò)渡期,其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果都比較吻合.    采用數(shù)值法的計(jì)算模型主要有:V.C.Mei和Emerson模型、

12、NWWA模型、Glhepro與Gchpca模型、Muraya模型、Rottmayer,Beckman,Mitchell模型、Shonder和Beck模型、Yavuzturk模型、T-K.Lei模型.    (1)V.C.Mei和Emerson傳熱模型.V.C.Mei和Emerson在1988年提出的關(guān)于垂直埋管的二維瞬態(tài)熱平衡模型.假設(shè)條件為:1土壤物性均勻一致;2忽略接觸熱阻及土壤濕遷移;3忽略地表面的影響;4埋管同一截面的流體具有相同的溫度與流速;5忽略熱短路的影響;6忽略土壤在深度方向與圓周方向的導(dǎo)熱.該模型適用于水平管段,考慮了管周?chē)鷥鐾劣绊?&

13、#160;   (2)NWWA(nationalwaterwellassociation)模型.該模型是在Kelvin線熱源方程分析解的基礎(chǔ)上建立巖土層的溫度場(chǎng),進(jìn)而確定換熱器的尺寸.它可以直接給出換熱器內(nèi)平均流體溫度,并采用疊加法模擬熱泵間歇運(yùn)行的情況.    (3)Yavuzturk模型.Yavuzturk等(1999)運(yùn)用極坐標(biāo)系(徑向-方位角方向)建立了二維瞬態(tài)熱平衡模型.將U型埋管的兩根圓管分別采用非圓管近似代替.將管內(nèi)流體與土壤的對(duì)流換熱(即定熱流邊界條件)作為離散方程中的源項(xiàng)處理.該模型假設(shè)為:1土壤熱物性均勻

14、一致;2忽略接觸熱阻及土壤濕遷移;3忽略地表面對(duì)地下?lián)Q熱的影響;4忽略沿深度方向的傳熱.    采用解析與數(shù)值混合解法的模型有:Eskilson傳熱模型、Hellstrom模型.    Eskilson模型是基于有限線熱源的數(shù)值解建立的.該模型由于考慮了鉆孔深度的影響,結(jié)果更加精確.然而由于求解過(guò)程比較復(fù)雜,因此Eskilson考慮采用“G函數(shù)方法”對(duì)傳熱模型進(jìn)行近似求解.Eskilson把鉆孔內(nèi)的熱阻分為三部分:兩管腳之間的熱阻以及每個(gè)管腳到鉆孔壁的熱阻,三者之和構(gòu)成了鉆孔的總熱阻,鉆孔內(nèi)傳熱認(rèn)為是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程

15、.該模型可以計(jì)算鉆孔間的熱影響,還可以計(jì)算不同的建筑負(fù)荷.但是也存在一些缺陷:不同鉆孔布置的“G函數(shù)”有限,鉆孔面積隨鉆孔深度變化.此外,模型還存在一個(gè)合理的時(shí)間步長(zhǎng),時(shí)間步長(zhǎng)太小(<2h),需要考慮流體、埋管以及鉆孔的非穩(wěn)態(tài)效應(yīng),因此不適合于Eskilson模型.    通過(guò)對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn),幾乎所有的傳熱模型都沒(méi)有考慮地下水滲流和熱濕遷移的影響.而國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)表明地下水橫向滲流對(duì)巖土體傳熱過(guò)程有極大的影響.同時(shí)由于土壤的導(dǎo)熱系數(shù)隨著含水量的變化會(huì)產(chǎn)生較大的變化,所以熱濕遷移對(duì)于熱泵的換熱性能影響也很大.在已知的少量文獻(xiàn)中,Eskilson1利

16、用了Carslaw2等給出的移動(dòng)線熱源問(wèn)題的穩(wěn)態(tài)解析解,討論了在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后滲流對(duì)地埋管換熱器的影響.由于地埋管換熱器涉及的范圍大,通常需要數(shù)年或更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到基本穩(wěn)定,因此實(shí)際應(yīng)用中必須討論瞬態(tài)問(wèn)題.在無(wú)法求得解析解的情況下,Chiasson3等人利用有限元法數(shù)值求解了二維瞬態(tài)的滲流問(wèn)題,對(duì)一些實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算和比較,但未能找到較一般的規(guī)律和結(jié)論.     1.2國(guó)內(nèi)    國(guó)內(nèi)對(duì)地埋管換熱器傳熱理論方面的研究起步較晚,而且多以實(shí)驗(yàn)研究為主,主要研究成果有:   

17、 (1)重慶建筑大學(xué)劉憲英、胡鳴明、魏唐棣等采用能量平衡法,結(jié)合V.C.Mei三維瞬態(tài)遠(yuǎn)邊界傳熱模型,建立了淺埋豎管土壤源熱泵傳熱模型;按徑向和管長(zhǎng)方向建立了二維溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型;其中包括單管間歇(或連續(xù))運(yùn)行傳熱模型、串聯(lián)套管傳熱模型、管群傳熱模型.該模型得到的理論值經(jīng)驗(yàn)證,比實(shí)驗(yàn)值低15%左右.    (2)青島理工大學(xué)建立了U型豎埋管周?chē)鷰r土體溫度場(chǎng)的二維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好,并計(jì)算得到了U型地埋管換熱器的熱作用半徑.    (3)同濟(jì)大學(xué)張旭等人建立了一維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型;山東建工

18、學(xué)院曾和義等人提出了U型埋管換熱器中介質(zhì)軸向溫度的數(shù)學(xué)模型;并開(kāi)發(fā)了有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的用于單根U型管的地埋管換熱器的設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算軟件“地?zé)嶂恰?已開(kāi)始推廣應(yīng)用.    (4)哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了準(zhǔn)三維非穩(wěn)態(tài)U型地埋管換熱器傳熱模型,以對(duì)巖土體蓄冷與地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行研究,模擬值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性.    可喜的是我國(guó)的研究人員已經(jīng)開(kāi)始了地下水運(yùn)動(dòng)對(duì)傳熱影響的研究:天津大學(xué)建立了飽和型多孔介質(zhì)套管式換熱器的理論模型4;浙江大學(xué)分別建立了考慮地下水運(yùn)動(dòng)和考慮熱濕遷移的地埋管換熱器的傳熱模型5;山東建工學(xué)院建立了有地下水滲流的地埋管換熱器傳熱模型6;哈爾濱工業(yè)大學(xué)也建立了考慮熱傳導(dǎo)和地下水流動(dòng)共同作用下的地埋管換熱器的傳熱模型,并且對(duì)單井地埋管進(jìn)行了初步分析,結(jié)果表明地下水滲流能夠增強(qiáng)盤(pán)管的換熱能力,有滲流的巖土體溫度場(chǎng)相對(duì)于無(wú)滲流的近于中心對(duì)稱的巖土體溫度場(chǎng)已經(jīng)發(fā)生變形,因此如果盤(pán)管埋在有滲流的巖土體中,