土壤源热泵地埋管换热器计算模型研究

摘 要：根据地埋管换热器传热机理建立计算模型，钻孔内部采用稳态导热解析解，钻孔外部采用数值计算结果；通过MATLAB软件计算得到地埋管换热器出口温度编程计算值与实测值误差均在5%以内波动，平均误差为1.7%，可以认为所建立的地埋管换热器计算模型基本正确，适用于对地埋管换热器的计算。

关键词：土壤源热泵系统；地埋管换热器；井壁温度

1.引言

根据报告[1]中所述：将我国热泵的发展分成了起步、推广及快速发展3个阶段，加上国家政策对可再生能源应用的大力支持，使得土壤源热泵系统的应用在我国有了较好的发展趋势。地埋管换热器作为土壤源热泵系统最大的换热部件，它的换热性能直接影响到整个土壤源热泵系统的能效特性。本文就土壤源热泵地埋管换热器模型进行深入研究，同时对所建立的模型进行验证，希望可以为地埋管换热器的设计提供一定的参考。

2.地埋管换热器传热计算模型

钻孔内部采用稳态导热解析解，钻孔外部采用数值计算结果。模型假设：1）将钻孔内部看作稳态导热；2）忽略接触热阻；3）土壤的热物性参数、回填材料导热系数、地埋管换热器流量基本保持不变；4）忽略沿着地埋管深度方向的热传导；5）忽略地下水流动对地埋管换热器换热量的影响。

2.1 钻孔内部模型

冬季工况，假设在沿地埋管换热器深度方向z深度处两根管的温度分别为tf1（z）和tf2（z），即f1、 f2分别为地埋管换热器进出流体。钻孔内井壁对两根埋管单位长度的热流密度分别为q1和q2，两根管之间的换热量为q21，井壁平均壁温tb[2]代替，冬季工况钻孔内部热量传递关系见图1。

两根埋管分别与钻孔壁之间的传热热阻 、 以及两根地埋管之间的传热阻 表达式可以根据规范[2]得到；M=cpm为循环流体热容量J/（kg・℃），m为U形管内部循环流体的质量流量。

夏季地埋管换热器进出口温度 与 之间的关系表达式与冬季表达式类似。

2.2 钻孔外部模型

2.3 地埋管换热器模型验证

笔者于2012年夏季对都市之门土壤源热泵系统进行实际调研，通过现场在线仪表采集了热泵机组进、出口循环水的温度，流量等参数，计算土壤源热泵夏季逐时放热量。

采用MATLAB软件进行地埋管换热器夏季工况土壤温度场的计算，将得到的钻孔井壁温度同钻孔内部模型进行耦合计算，得到地埋管换热器出口水温的编程计算值，以9月份为例，地埋管换热器出口温度实际测量值与编程计算值误差见图2所示。

从图2可以得到，由于在每天刚开机时机组运行不稳定，造成开机第一个小时误差较大，去掉该误差，误差均在5%以内波动，平均误差为1.7%，在工程允许误差范围之内。因此，认为所建立的地埋管换热器计算模型基本正确，该模型适用于对其它工程的计算。

6. 结论

6.1建立了地埋管换热器换热模型，使用MATLAB软件实现了模型的模拟计算。

6.2地埋管换热器出口温度实际测量值与编程计算值误差均在5%以内波动，平均误差为1.7%，验证了模型的正确性。

7. 参考文献

[1]徐伟.中国地源热泵发展研究报告（2008）[M].北京：中国建筑工业出版社，2008：319.

[2] GB 50366-2009.地源热泵系统工程技术规范（2009年版）[S] .北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3]曲云霞.地源热泵系统模型与仿真.博士论文[D].西安：西安建筑科技大学，2004.

[4]袁艳平，曹晓玲，雷波，张丹.变热流边界条件下单U形地埋管换热器的非稳态传热特性[J].暖通空调专题研讨.2009，39（12）：10-15.