（工程熱物理專業(yè)論文）基于建筑負(fù)荷動態(tài)模擬的地埋管換熱器設(shè)計(jì)及參數(shù)分析.pdf

山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著節(jié)約能源與環(huán)境保護(hù)成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向，建筑領(lǐng)域里降低空調(diào) 采暖系統(tǒng)能耗的研究越來越受重視。在這種背景下，由于利用大地中的大量低品位熱能 來實(shí)現(xiàn)對建筑物的供熱制冷、高效環(huán)保，地源熱泵技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。地源熱 泵技術(shù)與傳統(tǒng)空調(diào)最大的區(qū)別就在于地埋管換熱器，合理設(shè)計(jì)地埋管換熱器可以節(jié)省初 投資、合理利用土地、使運(yùn)行安全可靠，降低運(yùn)行成本。本文通過分析計(jì)算，對影響地 埋管換熱器的因素進(jìn)行了分析和討論。 首先，合理準(zhǔn)確的建筑負(fù)荷計(jì)算是地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)。本文將介紹建筑 負(fù)荷計(jì)算的方法和應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的建筑負(fù)荷模擬軟件，并且對建筑逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行累加 處理，得到放入地埋管換熱器中的累計(jì)負(fù)荷。 其次，對建筑負(fù)荷特性進(jìn)行分析，提出定量表述建筑負(fù)荷特性的參數(shù)建筑累計(jì) 冷熱負(fù)荷比( 功) 。通過對建筑累積負(fù)荷和r a l 的分析將建筑負(fù)荷特性歸結(jié)為四種類型即 冷、熱負(fù)荷相對或絕對占優(yōu)。并對不同負(fù)荷特性下，地埋管換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)對地埋管換 熱器設(shè)計(jì)長度的影響進(jìn)行分析。 第三，方便易操作的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，可以使工程技術(shù)人員免除繁瑣的計(jì)算。本文將 介紹地源熱泵專用模擬設(shè)計(jì)軟件“地?zé)嶂? 0 全面升級為“地?zé)嶂莢 3 0 ”所 做的工作。首先是集成d e s t 軟件，方便建筑負(fù)荷模擬計(jì)算；同時(shí)改進(jìn)優(yōu)化計(jì)算部分， 升級軟件操作界面使軟件界面更加友好易操作，改進(jìn)輸出報(bào)表便于設(shè)計(jì)人員提交輸出報(bào) 告。 第四，應(yīng)用“地?zé)嶂莢 3 0 ”對不同負(fù)荷特性下，巖土的導(dǎo)熱系數(shù)、全年的冷熱負(fù) 荷及軸、回灌材料的導(dǎo)熱系數(shù)與u 型管各支管的間距、地?zé)釗Q熱器排列方式與鉆孔間 距、設(shè)定的循環(huán)液所允許的最高和最低溫度對地埋管換熱器的設(shè)計(jì)長度進(jìn)行分析討論。 冷熱負(fù)荷相對或絕對占優(yōu)概念的提出和導(dǎo)得的結(jié)論對正確理解和把握鉆孔間距的選擇 有重要的指導(dǎo)意義。其中對于冷熱負(fù)荷絕對占優(yōu)的情況下，鉆孔間距對鉆孔長度的影 響顯著。而冷熱負(fù)荷相對占優(yōu)時(shí)，開始計(jì)算月份對鉆孔長度的影響比較明顯。 關(guān)鍵詞：地源熱泵，地埋管換熱器，建筑負(fù)荷特性，建筑累積冷熱負(fù)荷比，軟件 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 g r o u n dh e a te x c h a n g e r d e s i g na n d p a r a m e t r i ca n a l y s i sb a s e do n t h es i m u l a t i o no f d y n a m i cb u i l d i n gl o a d y uw e i ( t h e r m a l p h y s i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yf a n g z h a o h o n g a b s t r a c t w h i l et h ee n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o no f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt or e d u c et h e e n e r g yc o n s u m p t i o ni nb u i l d i n g s i nt h i sb a c k g r o u n d ，m o t ea n dm o r eg r o u n ds o u r c eh e a t p u m p ( g s h p ) s y s t e m sh a v eb e e nu s e db e c a u s eo ft h e i ra d v a n t a g e ss u c ha sm a k i n gu s eo ft h e l o w - g r a d ee n e r g ys o u r c ef o rb u i l d i n gh e a t i n ga n da i r - c o n d i t i o n i n g ，h i g l l l ye f f i c i e n c ya n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf e a t u r e s t h eg s h ps y s t e mi s q u i t ed i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a l h v a cs y s t e mi ni t sg r o u n dh e a te x c h a n g e r ( g h e ) ，w h i c hi sb u r i e du n d e r g r o u n dt oa b s o r bo r d i s s i p a t eb e a t r e a s o n a b l ed e s i g nt h eg h ew o u l dr e d u c et h ef i r s tc o s to ft h ep r o j e c t ，m a k e r a t i o n a lu s eo ft h ef i e l d ，e n s u r er e l i a b l yo p e r a t ea n ds a v eo p e r a t i o nc o s to ft h ep r o j e c t b a s e d o nt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，f a c t o r si m p a c t i n go nt h eg h e p e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e di nt h i st h e s i s f i r s t ，t h er e a s o n a b l ea c c u r a t eb u i l d i n gl o a dc o m p u t a t i o ni st h ef o u n d a t i o no ft h eg h e d e s i g n i n g t h i st h e s i si n t r o d u c e sm e t h o d so ft h eb u i l d i n gl o a dc o m p u t a t i o na n dt h es o f t w a r e t h a tu s i n gc o m p m e rt e c h n o l o g yt os i m u l a t e t og e tt h el o a dt h a tp u ti n t og h e ，w ec u m u l a t e s u mt h eh o u r l yb u i l d i n gl o a d s e c o n d ，t oc a r r yo nt h ea n a l y s i sr e g a r d i n gt h eb u i l d i n gl o a dc h a r a c t e r i s t i c ，an e wn o t i o n ， r a t i oo fa c c u m u l a t e dl o a d s ( 功) i sp r o p o s e d a n a l y z i n gt h ea c c u m u l a t i v eb u i l d i n gl o a da n dr a l ， l o a dc h a r a c t e r i s t i c sa r ea t t r i b u t e dt of o u r t y p e s ：r e l a t i v e o ra b s o l u t e c o o l i n g h e a t i n g d o m i n a t e d t h e nu n d e rd i f f e r e n tl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed e s i g nf a c t o r sa r ea n a l y z e di nt h e i r a c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l tg h e l e n g t h t h i r d ，t h ed e s i g no fu s e r f r i e n d l yo p e r a t i o no ft h es o f t w a r ew i l le n a b l et h ee n g i n e e r i n g i i 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 a n dt e c h n i c a lp e r s o n n e la w a yf r o mt e d i o u sc a l c u l a t i o n s t h i st h e s i sw i l lb ed e d i c a t e d c o m p r e h e n s i v e l yu p g r a d eg s h ps y s t e ms i m u l a t i o nd e s i g ns o f t w a r e ”g e o s t a r2 0 ”t o ” g e o s t a rv 3 0 ”t h eb u i l d i n gl o a ds i m u l a t i o ns o f t w a r ed e s ti si n t e g r a t e di n t og e o s t a r t h e a l g o r i s mi si m p r o v e da n do p t i m i z e d t h ei n t e r f a c e so ft h es o f t w a r ea l eu p g r a d e dt ob em u c h m o t ee a s yt oo p e r a t e ，a n dt h eo u t p u td o c u m e n ti sa l s oi m p r o v e da sad e s i g n e r sr e p o r tt o o u t p u t f o u r t h ，u n d e rd i f f e r e n tl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ，w ed i s c u s st h ef a c t o r sa f f e c t e dt h ed e s i g n l e n g t ho ft h eg h ew i t l lt h ea p p l i c a t i o no ft h e ”g e o s t a rv 3 0 ”t h ef a c t o r si n c l u d e dg r o u n d t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，a n n u a lh e a t i n g c o o l i n gl o a d sa n d 軸，t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fb a c k f i l l m a t e r i a la n dt h eu t u b es p a c i n g ，t h em o d a l i t yt h a tt h eg h eb o t e h o l ea r r a n g e d ，t h ep e r m i t t e d m a x i m u ma n dm i n i m u mt e m p e r a t u r eo ft h ef l u i di nt h eg h e i nt h ea b s o l u t ec o o l i n go r h e a t i n g - d o m i n a t e dc a s e s ，s p a c i n gb e t w e e nb o r e h o l e si m p a c t so nt h et o t a ll e n g t ho fb o r e h o l e s i g n i f i c a n t l y a n di nt h er e l a t i v ec o o l i n go rh e a t i n gd o m i n a t e dc a s e ，t h em o n t hw h e nt h e s y s t e mi sp u ti n t oo p e r a t i o ni m p a c t st h eb o t e h o l el e n g t hm o r e o b v i o u s k e yw o r d s ：g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ，g r o u n dh e a te x c h a n g e r ，b u i l d i n gl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ， r a t i oo fa c c u m u l a t e dl o a d s s o f tw a r e i i i 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所提交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究 取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，論文中不含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰 寫過的研究成果，也不包含為獲得山東建筑大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位證書而 使用過的材料。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確 方式標(biāo)明。本人承擔(dān)本聲明的法律責(zé)任。 學(xué)位論文作者簽名：日期獨(dú)：! ：p 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本學(xué)位論文作者完全了解山東建筑大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 即：山東建筑大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和 磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)山東建筑大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部 或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其它手段保存、 匯編學(xué)位論文。 保密論文在解密后遵守此聲明。 學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師 簽名： 日期) 蝣名喀 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 地源熱泵研究現(xiàn)狀 1 1 1 地源熱泵簡介 第一章緒論 熱泵是一種通過做功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。利用熱泵， 可以把不能直接利用的低品位熱能( 如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽能、工業(yè)廢 熱等) 轉(zhuǎn)換為可以利用的高品位熱能。熱泵按所采用的低品位熱源可分為：空氣源熱泵 ( a i rs o u r c eh e a tp u m p ，a s h p ) 和地源熱泵( g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p ，g s h p ) 兩大類。地源 熱泵系統(tǒng)通常還被稱為地?zé)釤岜孟到y(tǒng)( g e o t h e r m a lh e a tp u m ps y s t e m ) 、地能系統(tǒng)( e a r t h e n e r g ys y s t e m ) 、地源系統(tǒng)( g r o u n d - s o u r c es y s t e m ) 等，a s h r a e 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語即地源熱泵 系統(tǒng)( g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ) 。地源熱泵又可進(jìn)一步分為地表水熱泵 ( s u r f a c e - w a t e rh e a tp u m p ，s w h p ) 、地下水熱泵( g r o u n d w a t e rh e a tp u m p ，g w h p ) 和地耦合熱 泵( g r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m p ，g c h p ) ?？紤]實(shí)際應(yīng)用中人們的稱呼習(xí)慣，同時(shí)為了便于 理解，我國頒布的地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范( g b5 0 3 6 6 - - - 2 0 0 5 ) 中把地耦合熱泵 系統(tǒng)( c l o s e d - l o o pg r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m ps y s t e m ) 或以前國內(nèi)有人所稱的“土壤源”地源 熱泵系統(tǒng)定義為地埋管地源熱泵系統(tǒng)。 地表面 地下環(huán)路 圖1 1 地源熱泵的運(yùn)行原理圖一制熱模式 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)一般由三個(gè)必需的環(huán)路組成( 參見圖1 1 ) 。 ( 1 ) 地埋管換熱環(huán)路 由高強(qiáng)度塑料管組成的在地下循環(huán)的封閉環(huán)路，循環(huán)介質(zhì)為水或防凍液。冬季從周 圍土壤( 地層) 吸收熱量，夏季向土壤( 地層) 釋放熱量，其循環(huán)由一臺低功率的循環(huán) 泵來實(shí)現(xiàn)。 ( 2 ) 制冷劑環(huán)路 即在熱泵機(jī)組內(nèi)部的制冷循環(huán)，與空氣源熱泵相比，只是將空氣- n 冷劑換熱器換 成水- n 冷劑換熱器，其它結(jié)構(gòu)基本相同。 ( 3 ) 室內(nèi)環(huán)路 室內(nèi)環(huán)路在建筑物內(nèi)和熱泵機(jī)組之間傳遞熱量，傳遞熱量的介質(zhì)有空氣、水或制冷 劑等，因而相應(yīng)的熱泵機(jī)組分別應(yīng)為水一空氣熱泵機(jī)組、水一水熱泵機(jī)組和水一制冷劑 熱泵機(jī)組。 有的地源熱泵還設(shè)有加熱生活熱水的環(huán)路。將水從生活熱水箱送到冷凝器去進(jìn)行循 環(huán)的封閉加壓環(huán)路。對于夏季工況，該循環(huán)可充分利用冷凝器排放的熱量，基本不消耗 額外的能量而得到熱水供應(yīng)；在冬季，其耗能也大大低于電熱水器【1 1 。 1 1 2 地源熱泵國際研究現(xiàn)狀 地源熱泵( g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ) 的概念最早出現(xiàn)在1 9 1 2 年瑞士的一份專利 文獻(xiàn)中，在2 0 世紀(jì)5 0 年代就己在一些北歐國家的供熱中得到實(shí)際應(yīng)用。期間地源熱泵 的研究在歐洲達(dá)到第一次高潮。但由于當(dāng)時(shí)能源的豐富，熱泵系統(tǒng)造價(jià)高，熱泵的發(fā)展 未能達(dá)到廣泛應(yīng)用。隨著人們生活水平的提高，以及人們對礦物燃料在迅速枯竭以及大 量消耗礦物燃料帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染這一嚴(yán)峻性的全球問題的重視，具有顯著節(jié)能、 環(huán)保特點(diǎn)的熱泵得到了迅速發(fā)展【l 】。7 0 年代石油危機(jī)以后，美國和加拿大開始在建筑物 的供熱和空調(diào)中大量采用地源熱泵技術(shù)，但此時(shí)主要采用水平埋管的方式。自8 0 年代 以來，在北美也形成了利用地源熱泵對建筑進(jìn)行冷熱聯(lián)供的研究和工程實(shí)踐的新一輪高 潮，技術(shù)逐漸趨于成熟。這一階段的地源熱泵主要采用垂直埋管的換熱器，埋管的深度 通常達(dá)4 0 - - 2 0 0 米，因此占地面積大大減小，應(yīng)用范圍也從單獨(dú)民居的空調(diào)向較大型的 公共建筑擴(kuò)展。9 0 年代初美國在這一領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用中取得了很大的進(jìn)步，并 處于技術(shù)領(lǐng)先地位1 2 j 。 理論研究方面，在美國的俄克拉荷馬州立大學(xué)成立了國際地源熱泵協(xié)會 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( i n t e r n a t i o n a lg r o u i l ds o u r c eh e a tp u m pa s s o c i a t i o n ) ，專門研究地源熱泵的技術(shù)的發(fā)展 與應(yīng)用。對于地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算，現(xiàn)在瑞典的學(xué)者、美國供熱制冷空調(diào)工程師協(xié)會 ( a s h r a e ) 、美國和加拿大的一些大學(xué)和公司都分別提出了各自的設(shè)計(jì)計(jì)算方法【1 1 。 1 1 3 地源熱泵國內(nèi)研究現(xiàn)狀 早在上個(gè)世紀(jì)5 0 年代，我國就已經(jīng)開始空氣源熱泵方面的研究工作，而地源熱泵的 發(fā)展則比較緩慢。在國家自然科學(xué)基金委員會的資助下，1 1 1 9 0 年代初期以來，國內(nèi)也已 開始了對地源熱泵的探索性研究。青島建筑工程學(xué)院對垂直埋管的地源熱泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn) 室研究，對u 型埋管周圍土壤溫度場也進(jìn)行了理論研究和試驗(yàn)測試，于1 9 9 8 年建立起了 聚乙烯垂直埋管地源熱泵裝置；1 9 9 8 年，重慶建筑工程學(xué)院也建成了包括淺埋豎管換熱 器和水平埋管換熱器在內(nèi)的試驗(yàn)裝置，主要進(jìn)行了15 米深的套管式垂直淺埋管傳熱的實(shí) 驗(yàn)室研究。同濟(jì)大學(xué)于1 9 9 9 年5 月建成了地源熱泵實(shí)驗(yàn)臺，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。湖南大學(xué)等 單位建起了水平埋管地源熱泵試驗(yàn)裝置，對地源熱泵技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。有的學(xué)者也 采用了數(shù)值分析和理論研究的方法。有關(guān)學(xué)者對這一時(shí)期的地源熱泵研究與應(yīng)用進(jìn)行了 總結(jié)與展望【7 1 。 在地源熱泵系統(tǒng)中，地?zé)釗Q熱器的研究一直是地源熱泵技術(shù)的難點(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)。現(xiàn)有的地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)方法大都基于美國和歐洲對地 熱換熱器的試驗(yàn)研究。國內(nèi)有關(guān)地源熱泵的研究重點(diǎn)均放在地?zé)釗Q熱器的試驗(yàn)研究上， 試驗(yàn)的重點(diǎn)是：單位管長放熱量的確定；系統(tǒng)c o p 的確定；埋管合理間距的確定；土 壤熱物性的確定等。 重慶建筑大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、青島建工學(xué)院等單位分別根據(jù)各自的地質(zhì)條件給出了 相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)對地?zé)釗Q熱器的傳熱模型、地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)計(jì)算模擬及影響地?zé)?換熱器傳熱的各種因素進(jìn)行了初步研究取得了一些階段性成果。由于影響地?zé)釗Q熱器的 因素很多，而且地下傳熱過程復(fù)雜，因此現(xiàn)有的各種設(shè)計(jì)方法得出的結(jié)論往往相差很大， 而且在短時(shí)間內(nèi)很難達(dá)成共識。 上世紀(jì)八、九十年代瑞典的兩位研究者e s k i l s o n 和h e l l s t r o m 提出了一種基于疊 加原理的新思路，也稱作g 一函數(shù)方法的思路，山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所關(guān)于地源 熱泵換熱器傳熱的研究在消化吸收該研究思路的基礎(chǔ)上并有所創(chuàng)新，在國際上首次求得 了關(guān)于地埋管換熱器的三個(gè)重要的傳熱問題的解析解，進(jìn)一步提高了模型的精度和計(jì)算 速度【1 1 。 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 地源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀 地源熱泵源自歐洲，歐洲面積僅占世界總面積的7 ，但是人口卻是世界第二，而 且歐洲的3 6 個(gè)國家，各國經(jīng)濟(jì)、能源、技術(shù)等各方面發(fā)展并不均衡，共同的問題是自 身產(chǎn)油少，對核能使用受到限制，水力的使用受到環(huán)保者的質(zhì)疑。所以歐洲一些國家， 特別是北歐，政府對地源熱泵技術(shù)進(jìn)行政策上的扶持，使這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展迅速。在歐洲地 源熱泵還是主要應(yīng)用于新建建筑中，末端可以采用地板輻射采暖。資料表明，瑞典、奧 地利、德國等國家應(yīng)用地源熱泵技術(shù)較為廣泛，特別是瑞典5 0 的房屋已經(jīng)安裝了地源 熱泵。 地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)自2 0 世紀(jì)5 0 年代在歐洲和北美開始投入實(shí)際應(yīng)用，7 0 年 代“石油危機(jī)”以后得到迅速推廣，現(xiàn)在已是成熟的技術(shù)。7 0 年代末8 0 年代初，地源 熱泵在原有的水源熱泵的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。通過改進(jìn)，水源熱泵擴(kuò)大了進(jìn)水溫度范圍， 這也使得閉式環(huán)路地?zé)峤粨Q器能夠取代以前的熱交換系統(tǒng)。至此，美國進(jìn)行了多種形式 的地下埋管換熱器的研究、安裝和測試工作。現(xiàn)在美國所安裝的地源熱泵主要是閉式環(huán) 路系統(tǒng)，它根據(jù)塑料管的安裝形式可分水平埋管和垂直埋管。它可以被有效地應(yīng)用于任 何地方，也正是這種廣泛應(yīng)用促使了最近幾十年美國地源熱泵產(chǎn)業(yè)的快速增長 3 1 。近年 來由于全世界對于全球環(huán)境問題的關(guān)注，地源熱泵技術(shù)受到許多國際機(jī)構(gòu)和政府的重 視。聯(lián)合國發(fā)展計(jì)劃( u n d p ) 和國際能源組織( i e a ) 等國際機(jī)構(gòu)都把推廣應(yīng)用地源熱 泵作為節(jié)約能源、減少二氧化碳排放、改善地球環(huán)境的重要手段。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，截 止1 9 8 5 年美國共有1 4 ，0 0 0 臺地源熱泵，而1 9 9 7 年就安裝了4 5 ，0 0 0 臺，截止1 9 9 9 年， 全球大約有4 0 0 ，0 0 0 臺正在運(yùn)行的地源熱泵機(jī)組( 6 2 在美國) ，而且每年以1 0o 6 0 的速 度穩(wěn)步增長。1 9 9 8 年美國能源部頒布法規(guī)，要求在全國聯(lián)邦政府機(jī)構(gòu)的建筑中推廣應(yīng) 用地下耦合熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)。在歐洲熱泵在供熱市場中也占有很大的分額。中、北歐 如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家也在大力發(fā)展地下土壤埋盤管的地源熱泵，用于室 內(nèi)地板輻射供暖及提供生活熱水。瑞士是世界上按人口平均安裝地源熱泵供熱設(shè)備最多 的國家之一，現(xiàn)在共有超過5 萬套正在運(yùn)行的地源熱泵供熱系統(tǒng)。瑞典有5 5 萬套正在 運(yùn)行的地源熱泵供熱系統(tǒng)。在奧地利，熱泵供熱系統(tǒng)中空氣源熱泵占5 ，地下水熱泵 占1 2 ，地源熱泵占8 3 。 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 我國地源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀 地源熱泵技術(shù)在我國的研究應(yīng)用從2 0 世紀(jì)八十年代末開始，并在2 0 0 0 年左右開始有 實(shí)際工程出現(xiàn)，文獻(xiàn)稱這一階段為中國地源熱泵發(fā)展的起步階段。而從2 0 0 1 年至1 j 2 0 0 4 年 被定義為中國地源熱泵發(fā)展的第二階段即推廣普及。大批以地源熱泵的設(shè)計(jì)、制造和施 工為主要業(yè)務(wù)方向的企業(yè)不斷涌現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2 0 0 4 年底，類似企業(yè)已達(dá)8 3 家，全國 范圍內(nèi)除港、澳、臺地區(qū)外的3 1 個(gè)省市區(qū)均有地源熱泵項(xiàng)目，說明地源熱泵在我國應(yīng)用 的區(qū)域已經(jīng)非常廣泛。發(fā)明專利、科技文獻(xiàn)、工程技術(shù)指南更是層出不窮，可見這項(xiàng)技 術(shù)在我國正處于上升期。但這期間地源熱泵的發(fā)展也遇到了問題與挑戰(zhàn)：初投資較高、 設(shè)計(jì)施工人員水平參差不齊、政府對建筑節(jié)能環(huán)保重視程度不夠，令很多從業(yè)企業(yè)面臨 倒閉或轉(zhuǎn)向其他行業(yè)的困難【4 l 。2 0 0 5 年至今可以認(rèn)為是地源熱泵的高速發(fā)展期，2 0 0 5 年 全國人大通過了可再生能源法。“十一五”計(jì)劃提出了節(jié)能降耗和污染減排的具體目 標(biāo)。有關(guān)政府部門紛紛制定相關(guān)政策，各省市相繼出臺一些地方規(guī)定，有力推進(jìn)了地源 熱泵技術(shù)的普及。在北京利用地源熱泵政府給予財(cái)政補(bǔ)貼。沈陽要求全市范圍內(nèi)具備條 件的建筑都要使用地源熱泵系統(tǒng)。成都、重慶、寧波等城市都設(shè)立可再生能源專項(xiàng)資金， 用于地源熱泵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相關(guān)企業(yè)可享受貼息貸款、高新技術(shù)企業(yè)待遇等優(yōu)惠政 策。鐵路、電力、石油等行業(yè)也在本系統(tǒng)大力推廣地源熱泵技術(shù)。 目前，在政府積極支持與倡導(dǎo)下，地源熱泵應(yīng)用日益廣泛，為建立節(jié)約型社會，解 決面臨的能源危機(jī)問題提供了新思路。據(jù)工程建設(shè)與設(shè)計(jì)雜志最新調(diào)查顯示，2 0 0 5 年- - 一2 0 0 6 年間從事地源熱泵的企業(yè)增加了3 0 。在對部分企業(yè)的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，地源熱泵工 程量逐年猛增。在2 0 0 8 奧運(yùn)村、國家大劇院、沈陽世博園等標(biāo)志性工程中都使用了地源 熱泵技術(shù)。國內(nèi)地源熱泵在大量的工程實(shí)例基礎(chǔ)上，已經(jīng)形成了廣闊的發(fā)展市場，地源 熱泵成為極具潛力的產(chǎn)業(yè) 4 1 。 1 4 當(dāng)前地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用中的主要問題 地?zé)釗Q熱器是地源熱泵技術(shù)的核心部分，地?zé)釗Q熱器設(shè)計(jì)的合理性直接決定了地源 熱泵系統(tǒng)的初投資的多少和地源熱泵整個(gè)生命周期內(nèi)運(yùn)行效果的好壞。影響地?zé)釗Q熱器 性能的因素很多，也很復(fù)雜，因此常常不易得出簡單和直接的判斷。地埋管換熱器可以 看作是一種蓄熱式換熱器，如果全年向地埋管換熱器釋放的熱量與從中吸收的熱量不平 衡，就會造成多余的熱量或冷量在地下的積累，引起地埋管換熱器周圍巖土年平均溫度 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 的升高或降低，這種情況會影響地埋管換熱器的長期換熱性能【5 “】?，F(xiàn)在越來越多的工 程技術(shù)人員已經(jīng)認(rèn)識到這個(gè)問題。但是，怎樣定量地描述冷熱負(fù)荷的不平衡性，以及定 性、定量地評價(jià)冷熱負(fù)荷不平衡將造成的影響，至今在國內(nèi)外的文獻(xiàn)中還很少見到中肯 的分析。 現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)中建筑負(fù)荷的計(jì)算都未能考慮全年負(fù)荷的動態(tài)特性。工程設(shè)計(jì)人員經(jīng) 常會采用建筑冷熱負(fù)荷概算指標(biāo)的方法估算建筑負(fù)荷，這樣估算的結(jié)果僅為建筑的峰值 負(fù)荷。即使根據(jù)空調(diào)設(shè)計(jì)手冊中推薦的方法如諧波反應(yīng)法等，由于手冊和規(guī)范中氣象參 數(shù)有限，計(jì)算得出的也只是某一天2 4 個(gè)小時(shí)的冷負(fù)荷或者熱負(fù)荷，對于全年8 7 6 0 個(gè)小 時(shí)而言仍然是峰值負(fù)荷。而地埋管換熱器可以看作是一種蓄熱式換熱器，如果全年向地 埋管換熱器釋放的熱量與從中吸收的熱量不平衡，就會造成多余的熱量或冷量在地下的 積累，引起地埋管換熱器周圍巖土年平均溫度的升高或降低，這種情況會影響地埋管換 熱器的長期換熱性能【6 1 。因此，全年逐時(shí)負(fù)荷的模擬計(jì)算對于地?zé)釗Q熱器的設(shè)計(jì)有著重 要的意義。 在設(shè)計(jì)地埋管換熱器的時(shí)候，很多工程人員根據(jù)當(dāng)?shù)販y試的巖土熱物性采用單位長 度地埋管承擔(dān)負(fù)荷，來估算埋管長度。即使設(shè)計(jì)人員采用設(shè)計(jì)軟件來計(jì)算，對于不同負(fù) 荷特性下的影響因素如何影響埋管長度，以及如何調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，使系統(tǒng)在滿足要求的 前提下盡可能減少埋管長度，節(jié)省鉆孔占地面積和減少初投資并不十分清楚。 當(dāng)前地源熱泵技術(shù)雖然應(yīng)用的越來越多，但是工程設(shè)計(jì)中的這些問題一直存在并 未得的實(shí)質(zhì)性的解決。隨著工程數(shù)量的增加，如果這些問題沒有得到及時(shí)合理的解決必 定會成為行業(yè)發(fā)展的隱患，影響這項(xiàng)技術(shù)的推廣和發(fā)展。 1 5 本文研究的主要內(nèi)容 本文針對地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中所出現(xiàn)的問題，確定研究內(nèi)容主要包括以下 幾個(gè)方面： 1 5 1 建筑負(fù)荷逐時(shí)模擬計(jì)算 本文將采用清華大學(xué)開發(fā)的d e s t 軟件進(jìn)行建筑負(fù)荷的逐時(shí)模擬計(jì)算。由于地埋管 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 換熱器有蓄熱性，地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算中不僅應(yīng)考慮建筑的峰值負(fù)荷更要考慮地埋管 所承擔(dān)的長期持續(xù)性的負(fù)荷，本文將對建筑負(fù)荷進(jìn)行處理，將逐時(shí)負(fù)荷累加成為日負(fù)荷， 并進(jìn)一步累加為月負(fù)荷、年負(fù)荷，并給出全年積累冷熱負(fù)荷比的概念，用以描述地埋管 承擔(dān)冷熱負(fù)荷的不均衡性。 1 5 2 地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算 本文將介紹地埋管換熱器模擬設(shè)計(jì)專用軟件“地?zé)嶂?的最新升級版本v 3 0 的研制和開發(fā)工作。 ；| ；= ! i = i ：眵媲粵熙尸篡霉j ：j 萼! 嬲眵 璺i 星l 舅l ：生蔓絲| 型l 塹l 翌l 墅l 里 夏i 盈i 管材料 一 一公稱外徑 帶p e 3 4 0 8 rd e 2 5pd e 4 0 壁厚一 # s i ) r 1 1 r 蘩攀 嬲： = = | 警d e 3 2 rd e 5 0 ? 喇塑管個(gè)數(shù) “： # 單根u 型管 請選擇間距t ；r 雙u 型管( 并聯(lián)) 一 ，單個(gè)u 型管間距 # a rb rc 、 9q 、 rd 圖1 2 地?zé)嶂擒浖缑?地?zé)嶂擒浖胁捎玫氖菄H上領(lǐng)先的地?zé)釗Q熱器傳熱理論研究成果，用g 函數(shù) 的方法求解得到的關(guān)于地?zé)釗Q熱器的三個(gè)解析解，新版軟件不僅對于計(jì)算部分進(jìn)行了修 正，使計(jì)算精度和速度有了進(jìn)一步的提升，而且還集成了清華大學(xué)的d e s t i i 、完善了 輸入輸出部分更便于工程技術(shù)人員操作使用。該軟件從最初版本經(jīng)過多年工程實(shí)踐檢驗(yàn) 和科研人員的不斷修正，各方面性能日臻成熟。 1 5 3 影響地埋管換熱器傳熱因素的分析 地埋管換熱器傳熱的影響因素很多，本文將利用所開發(fā)的軟件研究鉆孔間距、回 填材料性能、單雙u 、巖土導(dǎo)熱系數(shù)、u 形管各支管的間距、設(shè)定熱泵所允許的循環(huán)液 最高和最低進(jìn)液溫度對鉆孔長度和地埋管運(yùn)行效果的影響。用“地?zé)嶂恰避浖M(jìn)行模 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 擬計(jì)算，分析不同負(fù)荷特性下，這些因素對地埋管設(shè)計(jì)長度的影響，比較系統(tǒng)運(yùn)行后的 性能參數(shù)，得出對今后的工程設(shè)計(jì)有所幫助的結(jié)論。 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章地?zé)釗Q熱器傳熱模型 2 1 地埋管換熱器計(jì)算方法簡介 2 - 1 1 工程設(shè)計(jì)用的半經(jīng)驗(yàn)公式方法 由于地埋管換熱器中的傳熱過程是三維非穩(wěn)態(tài)的傳熱，影響因素非常復(fù)雜，很難用簡 單的公式加以描述和概括，因此在實(shí)際工程中采用半經(jīng)驗(yàn)公式為主的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，主 要根據(jù)最大冷、熱負(fù)荷估算地埋管換熱器所需埋管的長度。這類半經(jīng)驗(yàn)方法其缺點(diǎn)是各 熱阻項(xiàng)的計(jì)算都做了大量的簡化假定，模型過于簡單，能夠考慮的因素有限，特別是難 于考慮冷、熱負(fù)荷隨時(shí)間的變化和全年中冷、熱負(fù)荷的轉(zhuǎn)換和不平衡等較復(fù)雜的因素， 因此它對各種復(fù)雜條件的普遍適用性還值得不斷地探討和驗(yàn)證。此外，即使是這種最簡 單的以半經(jīng)驗(yàn)公式為主的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，因?yàn)槠渲蟹磸?fù)用到指數(shù)積分函數(shù)，對于工程中 實(shí)際遇到的多孔的地埋管換熱器，實(shí)際的計(jì)算工作量也太大，以至于也必需借助子適當(dāng) 的計(jì)算機(jī)軟件來進(jìn)行。 在這一類方法中，以國際地源熱泵協(xié)會( i g s h p a ) 和美國供熱制冷和空調(diào)工程師協(xié) 會( a s h r a e ) 曾共同推薦的美國俄克拉荷馬州立大學(xué)( o k l a h o m as t a t eu n i v e r s i t y ) 提 議的方法【7 1 影響最大。我國在2 0 0 5 年制定的地源熱泵供熱空調(diào)技術(shù)規(guī)程 1 5 1 中基本上 參考了i g s h p a 方法。 型盟掣芒學(xué)劌( 型e e r ) - ， - 一，、ll、u ， 。 u 一一f 。j lj 、。 f c = 毛1 2 ( o 2 ) 式中：l 。，制冷工況下，豎直地埋管換熱器所需鉆孔的總長度( m ) ；q 。，水源熱 泵機(jī)組的額定冷負(fù)荷( k w ) ；e e r ，水源熱泵機(jī)組的制冷性能系數(shù)；t m 瓢，制冷工況 下，地埋管換熱器中傳熱介質(zhì)的設(shè)計(jì)平均溫度；t 。，埋管區(qū)域巖土體的初始溫度( ) ； f 。，制冷運(yùn)行份額；t c l ，一個(gè)制冷季中水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行小時(shí)數(shù)，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間取一個(gè) 月時(shí)，t 。l ，為最熱月份水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行小時(shí)數(shù)；t c 2 ，一個(gè)制冷季中的小時(shí)數(shù)，當(dāng) 運(yùn)行時(shí)間取一個(gè)月時(shí)，t c 2 ，為最熱月份的小時(shí)數(shù)。 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 小型虹凳掣( 掣) ( 0 3 ) ( 0 4 ) 式中：l h ，供熱工況下，豎直地埋管換熱器所需鉆孔的總長度( m ) ；q h ，水源熱泵機(jī) 組的額定熱負(fù)荷( k w ) ；c o p ，水源熱泵機(jī)組的供熱性能系數(shù)；t m i 。，供熱工況下，地 埋管換熱器中傳熱介質(zhì)的設(shè)計(jì)平均溫度，通常取一2 5 ；f h ，供熱運(yùn)行份額；t h l ， 一個(gè)供熱季中水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行小時(shí)數(shù)；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間取一個(gè)月時(shí)，t h l 為最冷月份水 源熱泵機(jī)組的運(yùn)行小時(shí)數(shù)；t 1 2 ，一個(gè)供熱季中的小時(shí)數(shù)：當(dāng)運(yùn)行時(shí)間取一個(gè)月時(shí)， 為最冷月份的小時(shí)數(shù)；根據(jù)l h 和l 。中的較大值作為地埋管的設(shè)計(jì)長度。 2 0 0 7a s h r a eh a n d b o o k m h v a ca p p l i c a t i o n s ( 3 2 1 4 ) 也給出了地埋管換熱器的l 。和l h 的計(jì)算式嗍： 丘：q , , r g o + ( - w c ) ( _ r p i + p l f , , , r g m + r g d f s c ) ( o 5 ) o 每導(dǎo) 厶= 盟堅(jiān)毯等必 (06)t f g 一竿一， 其中，f 剛熱短路損失系數(shù)；l 。，制冷情況下所需鉆孑l 長度，m ；l 。，制熱情況下所 需鉆孔長度，m ；p l f ，計(jì)算月的部分負(fù)荷系數(shù)，；q 。，傳給地下的年平均凈負(fù)荷，k w ： q l 。，建筑設(shè)計(jì)空調(diào)冷負(fù)荷，k w ：q l h ，建筑設(shè)計(jì)空調(diào)熱負(fù)荷，k w ：i ，在年脈沖熱流下 的土壤有效熱阻，( m 。k ) k w ；i ，在日脈沖熱流下的土壤有效熱阻，( m k ) k w ；陸， 在月脈沖熱流下的土壤有效熱阻，( m k ) k w ；r b ，管內(nèi)熱阻，( m k ) k w ；t g ，穩(wěn)定土壤 溫度，；t w i ，熱泵的入口水溫，；t w o ，熱泵的出口水溫，；w 。，熱泵制冷工況的 輸入功率，k w ：w h ，熱泵制熱工況的輸入功率，k w 。計(jì)算式中熱負(fù)荷為正，冷負(fù)荷為 負(fù)。 這種計(jì)算方法主要有以下特點(diǎn)： 考慮了三個(gè)脈沖負(fù)荷：年平均負(fù)荷、月平均負(fù)荷、設(shè)計(jì)日的峰值負(fù)荷( 峰值負(fù)荷持續(xù) 時(shí)間可能是一個(gè)小時(shí)甚至可以取到四個(gè)小時(shí)) ，因此，可以用來模擬長時(shí)間的運(yùn)行結(jié)果。 根據(jù)計(jì)算得出的l h 和l c 的較大值來確定鉆孔長度，也可以根據(jù)較小值確定鉆孔長度， 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 配以輔助熱源如冷卻塔。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮動態(tài)負(fù)荷的影響。系統(tǒng)放入地下的負(fù)荷并不是一個(gè)恒定的數(shù)值而 是不斷變化的，負(fù)荷的這種動態(tài)的特性對于地埋管和熱泵系統(tǒng)都有著很大的影響。 計(jì)算公式中存在指數(shù)積分，計(jì)算較繁鎖。對于地層的熱阻的計(jì)算用到了指數(shù)積分 i ( u ) = 圭f 等凼，而且對于多個(gè)鉆孔的時(shí)候要反復(fù)用到這個(gè)公式進(jìn)行積分的計(jì)算，耗費(fèi) 計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間。 2 1 2 數(shù)值計(jì)算的方法 以離散化數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的傳熱模型，可以考慮比較接近現(xiàn)實(shí)的情況，用有限元或有 限差分法求解地下的溫度響應(yīng)并進(jìn)行傳熱分析。在地源熱泵傳熱分析的研究歷史上，這 一類方法的代表是美國的橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室( o a kr i d g en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 在上世紀(jì) 八十年代所做的工作【9 。12 1 。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值計(jì)算方法以其適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn) 已成為傳熱分析的基本手段，也己成為地埋管換熱器理論研究的重要工具。但是由于地 埋管換熱器傳熱問題涉及的空間范圍大、幾何配置復(fù)雜，同時(shí)負(fù)荷隨時(shí)間變化，時(shí)間跨 度長達(dá)十年以上，因此若按三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算將耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間， 直接求解工程問題有很大的困難；如果再考慮對流，則困難更大。在當(dāng)前的計(jì)算條件下 用數(shù)值計(jì)算方法直接進(jìn)行實(shí)際工程問題的設(shè)計(jì)計(jì)算還沒有先例。但這些數(shù)值分析研究都 對定性了解地埋管換熱器的傳熱過程以及研究若干參數(shù)對地埋管換熱器性能的影響起到 了重要的作用。近年來我國的研究者關(guān)于這方面數(shù)值計(jì)算的論文也較多，例如用有限容 積法求解關(guān)于豎直螺旋盤管地埋管換熱器的傳熱【l 引。 2 1 3g - 函數(shù)方法 與上述兩種方法的思路不同，在上世紀(jì)八、九十年代瑞典的兩位研究者e s k i l s o n 和 h e l l s t r o m 提出了一種基于疊加原理的新思路，也稱作g 一函數(shù)方法。他們利用解析法和數(shù) 值法混合求解的手段較精確地描述單個(gè)鉆孔在恒定熱流加熱條件下的溫度響應(yīng)，再利用 疊加原理得到多個(gè)鉆孔組成的地埋管換熱器在變化負(fù)荷作用下的實(shí)際溫度響應(yīng)。這種方 法中采用的簡化假定最少，可以考慮地埋管換熱器的復(fù)雜的幾何配置和負(fù)荷隨時(shí)間的變 化，同時(shí)可以避免的冗長的數(shù)值計(jì)算，有可能直接應(yīng)用于實(shí)際的工程設(shè)計(jì)計(jì)算和建筑能 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 耗分析。山東建筑大學(xué)地源熱泵課題組關(guān)于豎直和傾斜埋管地埋管換熱器傳熱的研究主 要是延續(xù)了這種方法的思路，并在消化吸收的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新，在國際上首次求得了關(guān) 于地埋管換熱器的三個(gè)重要的傳熱問題的解析解，進(jìn)一步提高了模型的精度和計(jì)算速度。 并且應(yīng)用得到的成果開發(fā)了供工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)和能耗分析用的專用軟件“地?zé)嶂?星”。地?zé)嶂擒浖杏?jì)算所使用的數(shù)學(xué)模型，在下面的章節(jié)中將進(jìn)行詳細(xì)介紹。 2 2 鉆孔內(nèi)的導(dǎo)熱模型及計(jì)算式 鉆孔內(nèi)導(dǎo)熱模型常見的包括：一維模型、二維模型以及準(zhǔn)三維模型。 a ，蓼燮褥蜜鼯彩鬟啄您隧b ，鉑綴瓣麓他番戇繅 圖2 1 鉆孔當(dāng)量直徑示意圖 鉆孔內(nèi)的一維導(dǎo)熱模型也稱當(dāng)量直徑法，是將鉆孔內(nèi)的u 型管簡化為一根管，將 問題簡化為徑向的一維導(dǎo)熱問題。假定u 型管的當(dāng)量直徑以= 4 h a 。，其中n 是鉆孔內(nèi) 的埋管根數(shù)。鉆孔內(nèi)熱阻由流體至管道內(nèi)壁的對流換熱熱阻、管壁的導(dǎo)熱熱阻和管道外 壁到鉆孔壁的熱阻三部分相加得到。這樣可以回避u 型埋管各支管與鉆孔不同軸而帶 來的復(fù)雜問題，進(jìn)而把鉆孔內(nèi)部的導(dǎo)熱簡化為一維導(dǎo)熱。這樣的簡化過于粗糙，并不能 夠討論鉆孔內(nèi)支管的位置及相互傳熱對整個(gè)換熱過程的影響。 鉆孔內(nèi)的二維導(dǎo)熱模型是忽略了鉆孔軸向?qū)岷凸軆?nèi)流體的對流換熱，考慮了垂直 于鉆孔軸線的橫截面中由于支管的幾何配置等影響而引起的二維溫度場。在忽略軸向?qū)?熱的條件下，如果u 型管的兩根支管單位長度的熱流分別為q 和q ，根據(jù)線性迭加原 理，所討論的穩(wěn)態(tài)溫度場應(yīng)該是這兩個(gè)熱流作用產(chǎn)生的過余溫度場的疊加。由于沒有考 慮兩支管沿深度方向的變化，所以該模型假定兩支管中的流體溫度和單位長度的換熱量 分別相等。 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 鉆孔內(nèi)的準(zhǔn)三維導(dǎo)熱模型考慮了流體溫度沿軸向的變化及軸向的對流換熱量，區(qū)分 了各橫截面上的不同的傳熱量，考慮了u 型管各支管間的熱流“短路現(xiàn)象1 4 1 。 “地?zé)嶂?中采用準(zhǔn)三維導(dǎo)熱模型的結(jié)論，模型在二維導(dǎo)熱模型的基礎(chǔ)上，流體 溫度在深度方向的變化以及在軸向?qū)α饔枰钥紤]，但是鉆孔內(nèi)固體部分的軸向?qū)崛院?略不計(jì)。鉆孔內(nèi)為單u 管的兩支管內(nèi)的溫度分布： 。t ( z ) = 砌( 盧z ) 一了雨1 贏j7 、c h 仔一l 孵p p s h 。 0 2 仁卜瓦再 c 辦盧+ 、 去s 辦盧 一尸二筆；蘭黲 。辦c p z ，c o 7 ，岍并s 印r 一 叫糾+ 擊f 纛 - pm ( 盧z ) ( o 8 ) 舯。2 背，z 一憊肛研麗h 鉆孔內(nèi)u 型管的兩個(gè)支管對稱布置，有 噸= 去( 薩r o 竹嚦芻卜 9 ， 恥去( m 去+ 仃嘰專) 舯一2 罐，邱2 去h + 南黼韞舒外蚴燃柵坤秈分 別為u 型管內(nèi)外半徑；r b 為鉆孔的半徑；k s 、k b 和k p 分別為鉆孔周圍巖土、鉆孔回填材 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 2 雙u 管的橫截面示意圖 雙u 型管換熱器循環(huán)液在埋管內(nèi)的流動可以有多種形式：兩組u 型管之間可以有串聯(lián) 的連接方式，也可以有并聯(lián)的連接方式；按四根支管在鉆孔中的幾何配置，每種連接方 式又可以有不同的流程。不同的連接方式和流程都會影響其中的傳熱過程。在以下的討 論中假定四根支管在鉆孔中是中心對稱分布的。在同一鉆孔內(nèi)對地埋管換熱器傳熱性能 有程度不同的影響的串聯(lián)布置方式僅有三種情況：( 1 3 2 4 ) 、( 1 2 3 4 ) 及( 1 - 2 4 3 ) 。 對于雙u 型管并聯(lián)布置的情況，分為兩種情況：( 1 - 3 ，2 _ 4 ) 和( 1 - 2 ，3 - 4 ) ，1 3 表示 循環(huán)流體從編號1 的支管流入、從編號3 支管流出地埋管換熱器；2 4 則表示另一并聯(lián) 通道的流程，另一種布置方式道理相仿?？梢缘贸鱿鄳?yīng)的管內(nèi)流體溫度的表達(dá)式，( 1 3 ， 2 4 ) 并聯(lián)的情況熱阻最小，所以“地?zé)嶂恰敝型扑]工程使用的也是這種模型，在這 里就不再羅列公式3 - ”】。