熱泵系統地下換熱器埋管模型理論

時間：2009-8-22閱讀：1273

  土壤源熱泵地下埋管換熱器的傳熱過程分析,是土壤源熱泵性能分析和技術發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié),正確的換熱計算方法是合理地設計土壤源熱泵系統、順利投產運行和管理的重要科學依據。模擬埋地換熱器的傳熱過程主要是模擬地下埋管及其鄰域的土壤溫度場。土壤源熱泵中地下水平埋管是淺埋構筑物,管道的傳熱過程及土壤溫度易受到各地區(qū)氣候等因素的影響。
    模型的建立與求解
    土壤源熱泵研究的許多技術問題要求對地下埋管的溫度場和熱流密度進行比較的分析,特別是地下埋管及其土壤鄰域。例如,研究地下埋管準靜態(tài)熱力損傷;分析埋設區(qū)土壤的凍融狀態(tài)和土壤的熱物性變化;利用實測管道斷面 zui大溫差反演土壤平均導熱系數的演變等問題。因此,從較的多層復連通域出發(fā),導出解析形式的溫度場有較大意義。土壤源熱泵地下水平埋管穩(wěn)態(tài)熱力計算的理論模型在其橫剖面上應當是平面多層區(qū)域內的熱傳導問題,該傳熱過程是邊界條件較為復雜的二維傳熱問題。由于水平埋管埋深較淺,該模型與其他分析解模型的區(qū)別在于充分考慮了大氣溫度對換熱管周圍土壤溫度場的影響。
    土壤中埋管受土壤溫度、大氣溫度的影響,管內流體的能量通過管壁與周圍的土壤進行熱交換。由于地下埋管管內流體與管道內壁的換熱熱阻較小,在計算中可以近似地加以忽略,地下埋管內表面溫度可近似認為常數,即為管內流體溫度。但由于地下埋管的材質的傳熱系數較小,管壁內沿徑向存在溫度梯度,地下埋管的外表面溫度已不為常數,地下埋管內的導熱問題不應為簡單的一維傳熱問題而是二維導熱問題。大地表面溫度由于受到埋設的地下埋管的影響, 存在較大溫度梯度。土壤溫度必然隨著與地下埋管的相對位置而不同。
    事實上,土壤源熱泵地下埋管的傳熱過程非常復雜,存在很多的影響因素,如:由于水平埋管屬于淺埋,必然受到大氣晝夜和季節(jié)的溫度波動,地層本身熱流所產生的熱流場等影響。為了抓住水平埋管及其周圍土壤溫度場計算中的主要因素,可以忽略一些模型中的非決定性的因素,因此文中在計算中對模型作了如下的假設:
    （1）　對垂直于管道軸向方向的截面進行分析;在短距離內忽略土壤源熱泵地下埋管內介質溫度軸向溫降,管內介質溫度為定值。
    （2）　土壤是均勻的,地下埋管的管壁材質常物性、各向同性。
    （3）　忽略地下埋管內表面與管內介質的換熱熱阻,管內介質溫度與地下埋管內表面溫度相等。
    （4）　計算中的大氣溫度取當地室外的計算平均溫度。
    （5）　忽略由于土壤中水分遷移而引起的熱遷移。
    （6）　回填土不論壓實程度,土質等均為勻質大地的一部分。
    （7）　土壤的傳熱過程軸中心對稱分布。

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