地源热泵垂直地埋管传热性能影响因子分析
不同垂直埋管形式地源热泵热水系统换热性能研究
足。 丰富的水资源使得我国南方大部分地域属于富水土壤 ， 使
‘
’
得土壤具有较高的热交换效率 。 富水土壤可以靠自然补充 ， 保
换热器构成 的土壤换 热系统进行了研究 ，发现渗流水有助于
少 ， 施工难度加大 ， 但 成本 增加 ３ 由于 工业 化和城镇化进 】 。
土壤换热器的换 热 ， 套管 释放 的冷量主要沿渗流水流动方向
【 基金项 目】 广西 自然科学基金项 目（０ ０ ＸＮ Ｆ Ｏ１０ ２ ， ２ １Ｇ Ｓ Ａ ３ ２ ） 广西制造系统 与先进制造技术重 点实验室项 目 【 作者简介】 胡映 宁（９０ ， ， １６ ）女 广西贵港人 ， 教授， 从事机械工
是其核心组成部分 。 地埋管分为水平式和垂直式 。 水平式地埋
换热量比双 Ｕ型管低 ， 能优于 Ｕ
管施工简易 ， 但地埋管深 度较 浅容 易受外界气温的影响 ， 而且 型管式地热换热器 。 文献［ 对由单 ｕ型换热器和套管型单井 ５ 】
占用较大面积 ；垂直式地埋管单位井深换热量高 ，占地面积
【 关键词】 垂直地埋管换热器； 地源热泵热 水系统； 套管； Ｕ型
【 ｅ ｏ ｓｖ ｔａ ｕｅｔ ｅｅ ｅｃ ｎｅ Ｇ Ｈ Ｈ ｙｅ ；ｓｇ ｉ ；－ｐ Ｋ ｙ ｒ 】 ｒ ｌ ｒｄ ｂｈａ ｘ ａｇ ；ＳＰ Ｗｓ ｔ ｃ ｉ －ｐ Ｕｔ ｅ ｗ ｄ ｅｉ ｂ ｉ ｕ ｃ ｔ ｈ ｒ ｓｍ ａ ｐ ｅ ｙ ｎ
ｓ ｉ ｗｅ ｌｏｔ ｅｒ ｇ ｏ ｓ ｔ ｈ ｔ ｕ ｍｅ ａ ｄｗａ ｍ ｗｉ ｔ ｒＩ ｃ ｎ ｏ ｕ ｅ ｎｏ ｇ ｏ ｗａ ｅ ｔ ｕｔ ｄ ｅ ｌｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｗ ｈ ｏ ｓ ｍ ｒ ｎ ｉ ｒ ｎ ｅ ．ｔ ａ ｐｒ ｄ ｃ ｅ ｕ ｈｈ ｔ ｔ ｒ ｏｍｅ ｔ ｅｄ ｉ ｅ ｄ ． ｅｔ ｈ ａ ｌ ｅ ｓ ｙｎ
土壤热泵垂直u型埋管换热器传热分析
重庆建筑大学的刘宪英等人从 1999 年开始在国家自然科学基金的资助下进行了 浅层竖直埋管换热器地源热泵的采暖和制冷特性研究 他们结合我国的国情,把实验的 重点放在埋深 L=10m 的浅埋换热器方面 并介绍了套管式换热的传热模型[14]
地能产业化将更具规模 国家已经制订 2001— 2010 年新能源和可再生能源产业 规划 “十五”清洁能源科技发展计划 地能开发规模和科学技术将取得重大突破
总之 热泵技术在我国虽然起步较晚 但有着广阔的前景 随着热泵及其各种驱 动装置的研制和热泵系统的试验研究工作的深入开展 热泵技术将在我国得到越来越 广泛的应用 在节能工作中将发挥日益重大的作用
2 土壤的蓄能特性实现了冬 夏能量的互补 大地本身就是一个巨大的储能体 具有较好的储能特性 通过埋地换热器 夏季 利用冬季蓄存的总储量进行空调制冷 同时将部分热量蓄存于土壤中以备冬季采暖 用 冬季与夏季刚好相反 利用夏季蓄存的热量供暖 同时蓄存部分冷量以备夏季空 调用 这样就实现了冬夏能量的互补性 另一方面也提高了热泵的性能系数 达到了 明显的节能效果
垂直埋管占地面积少 且土壤深度越深 温度越稳定有利于系统的换热 但是其 安装费用也越高 垂直系统根据埋设方式的不同 大体上可分为三种形式 U 型管形 式 套管型和单管型 如图 2-2 所示 垂直埋管热泵系统按其埋管的深度又可分为深 埋管和浅埋管两种 浅埋深度一般为 8m 至 15m 深埋的钻井深度由地质条件及经济 条件决定 一般为 33m 至 180m 不等 埋深越深 换热性能越好 若地面可利用面积 较小 用竖埋管作为热交换器 可建成为大型建筑服务的土壤源热泵系统[16][17]
地源热泵垂直埋管换热器换热性能的实验研究
回填材料 、 布置形式等 ）地下水渗流等 。 、
本文针 对 以上工 程问题 ， 建 了地源 热泵砂箱 实 搭
验 台 ， 对不 同管 内流量 、 口水 温 的变化 对换 热 器 并 进
收稿 日期 ：０ ０ ｌ—２ ２ １一 １１ 作者简 介 ： 张鑫（ ９ ８ ， ， １ ８～）男 硕士研究生 ； 西安交通大学建筑节 能研究 中 ７０ ４ ）Ｅ— ｉ ｚ ａｇ ｉ． ａ＠ｓ ． ｔ． ｕｃ Ｇ（ １ ０ ９ ； ｍａｌ ｈｎ ｘｎｈ ｃ ｔ ｘ ｕｅ ． ： ｖ ｕｊ ｄ ｎ
关键 词 ： 地源热泵 影响因素 实验研究
Ｅ ｘｐｅｒｍ ｅｎｔ ｕ ｆＶ ｅｒ ｉ ａｌＢｏｒ ｉ ａｌＳｔ ｄｙ ｏ ｔｃ ｅｈｏｌ ｅａｔ ＥｘｃｈａｎｇｅｒｏｆＧＳＨ Ｐ ｅＨ
ＺＨ ＡＮＧ ｎ Ｗ ＡＮＧ ｅ ｇ ｈ ｏ， ＡＮ Ｇ ｉ— ｅ Ｆ Ｘｉ ， Ｆ ｎ —ａ Ｗ Ｘ ｎ ｋ ， ＥＮ Ｇ ｅ — ｈ ｎ， Ｉ Ｃｈ ｎ ｃ ｅ ＪＡＮ Ｇ Ｙｕ－ ｕ ｎ ｇ ａｇ Ｂｕｌ ｉ ｇＥｎｅｇ ｓ ａｃ ｎ ｅ ， ｉ ａ ｉｏ ｏ ｇＵ ｎｖ ｒｉ ｉ ｎ ｄ ｒ ｙＲｅ ｅ ｒ ｈＣｅ ｔｒ Ｘ ’ ｎＪａ ｔｎ ｉｅ ｓｔ ｙ
１ １ １ ｍ（ 宽× ） ．ｍｘ ．ｍｘ ． 长× 高 。箱体 中部（ Ａ— ５ ２ ６ 见 Ａ面 ） 埋设 长度为 ３ 外径为 ２ｍｍ 的复合 铝塑管 ， ｍ， ５ 埋管进 出 口与 电加热水箱相连 。为了模拟有地下水 渗流存 在 的地埋 管换热器 的工作环 境 ， 砂箱 上 、 下均设有 水 箱
的主要 因素有 ： 土壤的物理特性 （ 密度 、 比热 、 等 ） 湿度 、 管内工质流量 、 工质进 口温度 、 Ｌ 钻孑 的相关参数 （ 量 、 数
地源热泵换热器的竖直埋管技术要点探析
地源热泵换热器的竖直埋管技术要点探析摘要：竖直埋管地源热泵技术的关键是地下埋管换热器。
地下埋管换热器的设计包括:管材与管径的选择、埋管的深度与间距、回填、换热器回路形式的选择以及传热衰减的考虑等。
文章即对上述内容进行了详细的探讨与分析。
关键词：地热泵换热器竖直埋管1、引言地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的即可供热又可制冷的高效节能空调设备，它通过输入少量的能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。
地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。
土壤热交换器是地源泵机组的关键技术。
地源热泵土壤换热器有多种形式，如水平埋管、竖直埋管等，这两种埋管型式各有自身的特点和应用环境。
在我国采用竖直埋管更显示出其优越性：节约用地面积、换热性能好，可安装在建筑物基础、道路、绿地、广场、操场等下面而不影响上部的使用功能，甚至可在建筑物桩基中设置埋管，见缝插针充分利用可利用的土地面积。
下面，文章即对竖直埋管的技术要点进行详细的分析。
2、竖直埋管的管材与管径2.1 管材一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。
常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。
所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。
目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。
2.2 管径在实际工程中确定管径必须满足两个要求：①①管道要达到足够保持最小输送功率；②管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体与管道内壁之间的传热。
显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。
竖直地埋管换热器换热性能及经济分析
管 网供水水质起 到重要作 用。１ ） 管 道 冲洗 。通 过化学 药剂 和使 ２ ． ３ 微 生 物 的 灭 活 用水力清洗都是 常用 的清除方 式 ， 可 以有效 清除水 中杂 质 ， 化 学 饮水 中微生物多 ， 需要 采用特 殊 的去 除方 式进 行 ， 通 常我们 方法 ， 主要 通过药剂的使 用 ， 利用化学原理将 管道 内部 赃物清 除 ， 使用 的余氯消毒 ， 这种 方法使 用至今 是非 常显著 的方法 ， 虽 然使 城市直饮水 中， 使用化 学方法 可行性 不高 ， 因为 城市水 系统 比较 用过程 中会有 消毒副产物产生 ， 但 在使用过程 中通过持续 消毒 的 完善 ， 可以说是一个 整体 ， 做到分段排渣很难 完成 ， 如果单一 的对 特点 ， 也可 以广泛使 用于直饮 水 中。除氯消毒 外 ， 管道 中去除微 全 系统进行化学排 质会产 生不 必要 的水质 污染 ， 造 成 巨大影 响。 生物 的方法还有二氧化氯消毒 、 氯胺 消毒等 。 另外 ， 还存 在个别 区域水 管 中管道腐 蚀程度 不 同等问题 ， 无 法进 行科学化学药剂投 入 。所 以， 化学 药剂使 用必 须要小 范 围 ， 小调 节， 不适合 大城 市管 网系统 。另 一种是通 过外 力清洗 ， 通过 产生 的外力作用将产 生剪切 力等使 水管 内部附 着的污染 物 冲去 。这 种作用力 的提供需要使用到相关 的机 械。例 如机械 刮管的使 用 ， 但也可 由水 自身压 力完成 冲洗 ， 例如 高压 射流 ， 同时气 压脉 冲也 是很好 的方法 。虽然 这些方 式不 同， 但 最终 目的是 相 同的 ， 也可 以将其进行综合使用 ， 达到清洁的理想效果 。２ ） 管 道修复 。考虑 到造价 问题 、 施 工周 期问题 。并 且从经 济 的角 度考 虑 ， 我们 也要 从水质改善条件 出发 ， 不建议 盲 目使 用换新 管方 式 ， 避免给 人们 带来生活上 的不便 利 。所 以 ， 可 以把具 有一定 强度 的 ， 并且 可 以 使用 的管道进行修复处理 ， 通过一 些修复上 的技 术达到经 济实用
埋管换热器布置形式对地源热泵系统性能的影响
温室园艺2017-0969确定，U 形管管井的水平间距一般为4.5 m ，有人认为长期间歇运行的地掘热泵垂直埋管间距在3 m 左右较适合；有人建议取热(冬季)时埋管间距取4 m ，放热(夏季)时埋管间距取约5 m ，综合考虑冬夏季工况，U 形管埋地换热器管间距不小于5 m ；有人认为经U 形埋管冬夏长时间运行的测试埋管换热器的影响半径为2.5~3 m ，因此埋管换热器系统的孔间距常在5~6 m(推荐3~6 m)。
埋管深度埋管深度对地埋管地源热泵系统的换热器效率及经济性有很大的影响。
增加埋管深度可以提高单位埋孔换热量及机组性能，节省埋管管群的占地面积，但随埋管深度增加其土间的温差逐渐减小，换热能力逐渐减弱，同时会增大钻井难度及成本，而且对埋管管材的承压能力提出更高的要求；当埋管深度较浅时，埋管难以与土壤进行有效地换热，且占地面积较大，使热泵系统的应用性受到限制。
由于埋管深度对系统运行时埋管换热器的影响半径有一定的影响，因此，设计埋管深度时，应针对具体工程综合考虑当地地质条件、埋管间距及管材选择等因素。
钻孔直径埋管钻孔直径的大小主要受埋管支管间距的影响。
钻孔直径越大，埋管支管间距越大，可以降低进水管与出水管间的热短路现象，有利于增加埋地换热器的换热量。
但同时导致钻孔费用上升，回填材料费用增加。
钻孔直径过小，埋管支管间距减小，两支管间会出现相互换热的现象（热短路现象），导致进出口温差减小，埋地换热器性能降低。
目前我国的实际工程中钻孔直径通常为1l0~150 mm 。
埋管管径在地源热泵系统工程中，埋管换热器最常用的U 形管规格为De25×2.3、De32×3.0、De40×3.7三种。
根据大量工程经验和计算，增大U 形管的管径对埋管换热器的效果影响在5%之内，影响较小，所以选用De25×2.3管比选用De32×3.0、De40×3.7管能取得更大的性能价格比。
地源热泵地埋管换热影响因素的实验研究
１ 地层模拟装置 ： ） 采用 ０ ８ｍ×０ ８ｍ Ｘ１２ ｍ木质 箱体 ， ． ． ． 装 满 质量 比为 ２ １的土和砂混合 物模拟实 际的地层 ， ： 同时为 了减少
蠢
蕤 ６ ４
６ ２
热损失 ， 在箱体的顶部和底部用发泡橡 胶保温棉保温 。
２ 换热器模拟装 置 ： ） 模拟换热器 的埋 管采 用导热性 能好 的铜
醛 ６ ｏ
丧 ５ ８
蚌
５ ６ ５ ４
管， 内径为 ０ ５ｃ 外径 ０ ７ ｃ ． ｍ， ． ｍ。埋 管周 围填充实 验所需 的 回填
材料 。 ３ 换热 流体动力装 置 ： ） 进水温度 由 ５ １ ０ Ａ型超 级恒温 器提供 ， 操作方便 ， 控温精确 ； 内换热介质 流量 由转 子流量 计控 制 ； 环 管 循
４ 数据采集装置 ： ） 采用 Ａ ｉ ｎ ３９ ０ ｇ ｅｔ ４ ７ Ａ数据采集仪 ， ｌ 采集 间隔 为 １ ， 以达到 实 验采 集所 要 求 的速 度 和精 度 。铜一康 铜 （ ０Ｓ可 Ｔ 型） 热电耦作为测温元 件 ， 布置在 ｕ形 换热 管和换 热器周 围土壤 中。Ｕ形换 热管上布置 的测点 ， 主要测定埋管 内水温 的变化 。
注 ：一 手 动 调 节 阀 ；－ 流 量 计 ；一 电 加 热 水 箱 ；— 循 环 水 泵 ；一 ｌ ２ ３ ４ ５
温度传感器。连接设备的水管为 Ｐ Ｃ塑料管 ， Ｖ 要进行 管道保温
５ ． ｍ增 至 ７ ． ｍ。相应 的变化趋势如图 ３所示 。 ９ ８Ｗ／ ０ ２Ｗ／
图 １ 试验 台系统连接示意图
强化换热效果 就越 好。
２ 实验 结果 与分 析 ２ １ 回填 材料 导 热性 能对 Ｕ形埋 管换 热性 能的 影响 ．
地源热泵地下埋管换热性能及其影响因素研究
·24·
建筑热能通风空调
2009 年
式中：Q 为热泵的供热量，kWh；P 为热泵消耗的功量， kWh。
2.2.2 数据处理与分析
（1）工况一：连续 72 小时变流量运行 对工况一的单孔换热能力数据进行处理，结果如 图 4 所示。
（变）
（定）
q（W/m）
图 4 单孔换热能力
本实验中变流量设置是通过调节阀门实现的，在 变工况开始将流量变小，随着流量变小，流速变小，水 与岩土热交换的时间加长，换热效果较好，由图 4 可知 单孔换热能力在开始是逐渐变大的，最大到达 80 W/m，随着流量逐渐稳定，换热能力趋向一定值（30 W/m 左右）；与之相比，定流量换热能力趋向稳定，实 际测算值为 27W/m，曲线之所以在后部出现上升趋 势，是由于实验过程中膨胀水箱补水过程中有杂质进 入，同时循环管路系统有一定的结垢，最终导致水流 量变小，出现了类似调小流量泵系统的经济性取决于多种因素，不同地 区，不同地质条件，不同运行状态，不同能源结构及价 格等都将直接影响其经济性。根据国外的经验，地源 热泵比传统空调系统运行效率要高约 40%~60%，由于 地源热泵运行费用低，增加的初投资可在 3~7 年内收 回，地源热泵系统在整个服务周期内的平均费用将低 于传统的空调系统[1]。
影响地源热泵中央空调地埋管系统换热效率的主要因素
1、根据工程现场的岩土热物性测试数据和设计院给出的机组换热量数据，从而可以
确定出地源热泵机组地埋井数量，从理论上看是没有什么问题的，但根据相关工程施工经验，并了解了正在使用的地源热泵项目地埋井的运行状况，地埋井使用中存在换热量不足的问题
2、实际换热量并不能满足使用要求
其原因是实际换热量与理论换热量并不相符，我们看到的数据，大多是理论数据或者是实验数据，表面看满足使用时没有问题的，但在实际应用过程中，理论数据往往并不能达到其预期效果，实验数据也可能存在误差，比如水源热泵机组理论能效比是可以达到7的，但实际上任何厂家的机组也是达不到的这个能效比的，可往往施工是严格安装设计进行的，所以才导致实际换热量并不能满足使用要求
3、地下水源和地质条件的变化引发的换热量不足
由于该地区某一时段内的长期干旱和地下水源无节制使用等原因会使地源井的换热量下降，起初能满足要求的换热井突然不能满足机组换热的需要
4、地埋井长期使用存换热量的衰减问题
原因是冷热负荷不均恒，地埋面积有限，大多项目空调夏季向地源侧中释放的热量多，而冬季则从地源侧吸收的热量少，虽然地下热量通过水的流动地表冷热辐等方式在不断地平衡，但是差别过大，这些多余的热量还是不能被平衡掉的，长此以往，地下本来恒定的地质条件被破坏，将导致换热量的下降
5、施工破坏等原因使地埋井数量减少换热量不够
后期施工因不了解地埋情况破坏地埋系统的也不少见，因为考虑到初投资成本许多工程往往不考虑换热井的余量问题，导致正在使用的机组不能工作
6、室外地埋部分水量换热量和后期的稳定性
室外地埋部分水量越大，换热量也就越稳定，后期运行也相应稳定。
渗流作用下的垂直地埋管换热器传热性能理论及实验研究
渗流作用下的垂直地埋管换热器传热性能理论及实验研究渗流作用下的垂直地埋管换热器传热性能理论及实验研究引言：地埋管换热器是一种常用于地下蓄能、地热能利用以及空调系统的换热设备。
在地埋管换热器中，工质通过管道与土壤进行热量交换，从而实现热量的采集或者排放。
然而，由于土壤的非均质性以及不同湿度条件下的土壤渗流行为，地埋管换热器的传热性能受到了一定程度的影响。
为了深入研究渗流作用对垂直地埋管换热器的传热性能的影响，本文将从理论和实验两方面进行探讨。
一、理论分析1. 土壤渗流模型土壤的渗透特性对地埋管换热器的传热性能影响重大。
根据多孔介质流体力学理论，可以将土壤看作是一个多孔介质，采用达西定律描述土壤中的渗流行为。
根据达西定律，土壤中的渗流速度与渗透率、渗流压力梯度和土壤孔隙度等因素有关。
2. 地埋管换热器传热模型建立地埋管换热器的传热模型是研究其传热性能的基础。
地埋管内部与土壤的热传递可以看作是一维的传热过程，由热传导和对流传热共同贡献。
根据传热学基本原理，可以建立地埋管换热器的传热方程，进而获得地埋管内部和土壤之间的温度分布。
3. 传热性能的参数分析为了定量评估地埋管换热器的传热性能，可以通过定义一些传热性能参数进行分析。
例如，热阻系数用于评估地埋管换热器在传热过程中的阻力大小；热响应测试可以获得地埋管换热器的瞬态响应特性。
二、实验研究为了验证理论分析的结果，进行了相应的实验研究。
实验设置了不同孔隙度和不同渗透率的土壤试验组，通过测量地埋管内外的温度分布和流量等参数，得到了地埋管换热器在不同工况下的传热性能。
实验结果表明，土壤渗透特性对地埋管换热器的传热性能有显著影响。
渗透率较大的土壤中，热量传递较快，传热性能较好；而渗透率较小的土壤中，热量传递较慢，传热性能较差。
此外，通过改变地埋管的孔隙度，也可以对地埋管换热器的传热性能进行调整。
孔隙度较大的地埋管在行经土壤时会有更多的热量交换，传热性能较好；而孔隙度较小的地埋管则相应传热性能较差。
地埋管换热器传热分析的参数影响研究
２ 、 基 于规 范的 热 阻计 算
如 前所 述 ， 现 行规 范 中 的热阻 可 分为两 类 ， 其 中钻孔 内热 阻可 分 为三 类 ，
如式（ １ ） 所示 ： Ｒ ＝Ｒ ｒ＋Ｒ。 ＋Ｒ６ （ １ ）
其中 ， Ｒ ｆ 为 传热 介 质 与 Ｕ 形管 内壁 的对 流 换 热 热 阻 ， Ｒ ｐ ｅ 为Ｕ 形 管 管 壁 热 阻， Ｒ ｂ 为钻孔 回填料 的热 阻 。钻 孔外 热 阻可 分为两 类 ， 如式 （ ２ ） 所示 ：
减小 ， 随着 热容 的增 大 而减小 ， 随着 导 热系 数 的增 大 而增 大 ； 地 埋 管换 热 器 在 持续 工作 三个 月 以后 ， 钻 孔外 热 阻在 ３ ｍ・ Ｋ ／ Ｗ以 上 ， 远大 于钻 孑 Ｌ 内热 阻 。
３ ． ２导 热 系数
其 中， Ａ 为 场地 岩 土 介 质 的平 均 导 热 系数 ， ｐ 为 岩 土 介质 的 密度 ， ｃ 为 比热
影 响规 律 。
３ １地埋 管换 热 器布 置 间距 ｄ 的 影 响
规 范 中指 出地 埋 管 问距 为３～６ ｍ， 本 节分 别研 究 ｒ 不 同热 容 及导 热 系 数 下 的地埋 管换 热 器布 置 间距ｄ 对中部 地 埋管 钻 孔外 热 阻 （ 按匕 述 工 况连 续 工作９ ０ 天后 ） 的影 响 关 系 ， 结 果分 别 如 ２ （ 导热 系数 Ａ ＝ Ｉ ． ４ ８ Ｗ／ （ ｍ・ Ｋ ） ） 和同３
岩土 场 地热 物 性参 数 为 地埋 管 的钻 孔 外热 阻 的 主要 影 响 因 素 ，其 中包
了广泛 的应用 。地埋管换热器为地源热泵系统的关键装置， 其换热能力的优 劣直接关系到系统的运行效果 。 我国现行的《 地源热泵系统工程技术规范》 （ Ｇ Ｂ ５ ０ ３ ６ ６ — ２ ０ ０ ５ ） 采用 了以热 阻为 基础 的设 计 方法 。 以钻 孔 壁 为界 ， 涉 及到 的热 阻可 分 为两 部 分 ： 钻孔 内热 阻反 应 了钻 孔 内
如何增强地源热泵竖直埋管地下换热器换热性能
的可泵性 ，故砂 置换 率不能过高 ，以６ Ｏ ％～ ８ ０ ％为佳。
在砂 中加入少量的膨润土 ，添加膨润土 的用 量可 以增 加导热性 ，并能改善回填材料 的可 泵性 。但 是膨 润土吸水 膨胀 ，故不 能过 量 ，实验得出加入量不宜超过５ ％。
对于 回填材 料的优化 ，应将理论分析 与实践 工程相结
３ ９ ｍｍ时 钻 孔 热 阻 为０ ． ０ ６ ４（ ｍ． Ｋ） ／ Ｗ ，当 各 支 管相 互 靠 紧 时 ，即 当半 宽 Ｄ 为２ ２ ． ６ ｍｍ时 ，钻 孔 热 阻 可 达 Ｏ ． １ ３ ９（ ｍ
・
的回填材料和最大 限度地减 少热短路是提高换热器换热性
能的必要途径。 （ １） 地 下 换 热 器 形 式通 常 有 单 Ｕ型 ，双 Ｕ型 ，１ ＋ ２ 型
为了在施工中保证把钻孔 内热阻 降为最低 ，目前通 常 采用 人工下管 。下 管前 ，将灌浆 管与Ｕ 型 管捆绑在一起 ， 并加 上定位器 （ 此时定位器处于压缩状态 ）。捆绑 既要保 证 每根 管竖 直不 能弯 曲 ，又 要防 止灌 浆管灌 浆过 程 中提 升 困 难 ，Ｕ型 管 头 部 需设 防 护 装 置 ， 防止 在 下 管 过 程 中 损 伤 。在施工过程中 ，由于孑 Ｌ 内情况复 杂 ，下管时可能遇到 很 大 的 阻 力 ，应 在 Ｕ型 管 内 充 满 水 ，增 加 自重 ，减 少下 管 过程 中的浮力。并辅 以扶正机构 ，通过加 力杠杆 下管 ，当 Ｕ 型管 下到底部后 ，打开 定位器 ，这 时定 位器会尽量 分开 Ｕ 型管 ，保证管 间距离最 大 ，从而减 少钻 孔 内热阻 ，提高
合进行深入研 究 ，最 终找到高效、经济 的回填材料 。 三 、热短路
热 短 路 现 象 是 造 成 地 下 换 热 器 热 损 失 的 一 个 重 要 原
影响地埋管地源热泵传热特性因素
影响地埋管地源热泵传热特性因素摘要：能源对人类的影响十分重大，是人们生存发展的重要物质基础，在整个人类文明发展历程中扮演着不可或缺的角色。
而随着社会的发展，能源变得越来越少，因此发展可再生能源显得非常紧迫和有必要。
而地热能就是其中的佼佼者。
它无穷无尽且能量巨大。
地热能的来源有三部分1.太阳辐射2.地球内部的熔融岩浆3.放射性物质的衰变。
大多太阳能被土壤所吸收，据有关资料，全球地热能的总量大约为1.45×1026 J，是全球煤炭总量的17000万倍热泵是利用地热能的一种机器，它的产生可以更好的发展地热能，因此研究地源热泵的传热特性有着很好的意义。
关键词：能源地热能可再生能源1课题研究现状孙福杰通过大量工作得出结论：当管内流体流量不变的时候，毛细管换热器进口温度的增加会导致出口温度和单位面积毛细管换热量增加；当运行时间越久，进出口温度越接近；关于地源热泵传热模型的建立吴钟雷也提出了自己的看法：回填材料与土壤之间的传热模型，管内流体与管壁的换热模型组成了地埋管换热模型的两部分。
该模型是非稳态模型，因此可以采用非稳态模型计算。
周世玉提出被Ingersoll和Plass等人于1948年发展的Kelvin线热源理论目前应用得最广。
线热源模型是将地下埋管看作是一个很小的物体，而把岩土假设为无线大物体。
因此模型可以简化为恒定线热源的传热过程，线热源模型忽略了地埋管的具体形式对传热的影响，计算比较简便，而且在实际工程应用中效果较好，所以应用得较多。
方肇洪等学者通过不断钻研，首次在国际上提出有限长线热源非稳态导热的解析解等，该解是通过系列解析解和叠加原理法来计算。
总之目前有很多学者提出了许多模型，在解决不同的问题时需采用不同的模型。
2影响地埋管地源热泵传热特性因素地埋管换热器作为地埋管地源热泵的核心部件之一，土壤结构、流体速度、埋管方式、施工条件等都会影响到它的传热效果。
地质条件的影响土壤的结构十分复杂，里面含有气体，固体，液体。
地源热泵地埋管随机传热与可靠性理论分析
地源热泵地埋管随机传热与可靠性理论分析摘要：随着地源热泵技术的快速发展，其空调技术在我国的应用也越来越广泛。
地源热泵是一项节能环保且经济效益较高的技术，通过地源热泵技术，相关人员可提取地热资源，从而进行制冷或采暖，这项技术已经在很多发达国家进入了实用阶段。
地埋管换热器的换热功能对地源热泵空调系统的运行效果有着关键的影响，由于我国的地源热泵技术应用处于初始阶段，在地埋管的传热设计还存着一些问题。
本文主要先对地源热泵及其地埋管系统的随机传热特征等进行简述，进而分析其可靠性的指标体系，研究可靠度的计算方法。
关键词：地源热泵；地埋管；随机传热；可靠性理论一、前言现阶段，地源热泵技术在发达国家已经进入了实用阶段，我国还处于实用的开始阶段。
长期以来，由于地源热泵工程人员在设计过程中忽略了岩土的固有随机组成和性质结构，只是通过一些现有的确定性理论来解释相应的传热现象，并将其作为设计依据，从而导致地源热泵的系统换热功能不足等问题的发生。
随着地源热泵技术的发展，现有的确定性传热理论及设计方法已经无法满足当前地源热泵地下埋管系统的理论分析和设计要求，发展新的可靠性理论和研究方法来提高地下换热器设计水平，不仅是发展地源热泵技术的关键，也是提高地源热泵技术节能环保性的需要。
近些年来，管昌生教授已经将一些相关的可靠性理论应用到了地源热泵地埋管系统中，并且提出了地源热泵地埋管工程设计的概念，本文主要在此基础上对地源热泵地埋管的随即传热及可靠性理论进行分析。
二、关于地源热泵1. 地源热泵的概念及组成地源热泵最早由瑞士专家于1912年提出，是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源，从而实现由低品位热能到高品位热能的转移。
地源热泵供暖空调系统主要由室外地能换热系统、地源热泵机组、室内采暖空调末端系统以及控制系统等四个部分组成。
2. 地源热泵的工作原理地源热泵是通过利用地下水、土壤中的水或是地表水与地能进行冷热交换，从而形成地源热泵的冷热源，在冬季时，将地能中的热量取出来供给室内采暖，即为热源；在夏季时，将室内的热量取出来并释放到地下水、土壤或地表水中，从而给室内降温，即为冷源。
竖直地埋管换热器换热性能及经济分析
竖直地埋管换热器换热性能及经济分析张琳邡;纪河;曹菲菲【摘要】In view of soil heat pump system,this paper establishment of single U,double U and W buried pipe experiment system,then analyzed and compared the heat transfer performance and resistance of different vertical ground heat exchanger,through the discussion on the change situa-tion of economic costs with the time of different forms of buried pipe under different traffic,and determined its own best traffic,from heat transfer performance and economic cost two aspects evaluated different vertical ground heat exchanger.%针对土壤源热泵系统，建立单 U 型、双 U 型及 W 型埋管实验系统，进而对不同竖直地埋管换热器的换热性能及阻力进行分析比较，同时探讨了不同型式的埋管在不同流量下经济成本随时间的变化情况，并确定各自的最佳流量，从换热性能和经济成本两方面对不同竖直地埋管换热器进行综合评价。
【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2015(000)031【总页数】3页(P134-135,153)【关键词】土壤源热泵;换热性能;经济性【作者】张琳邡;纪河;曹菲菲【作者单位】安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001;安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001;安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001【正文语种】中文【中图分类】TU833.3地源热泵空调系统是以大地为冷、热源，使中间介质在由塑料管组成的封闭环路中循环流动，与大地进行热量的交换[1]，从而实现建筑物的夏季制冷和冬季供暖。
地源热泵地埋管单位井深换热量测试与分析
地源热泵地埋管单位井深换热量测试与分析时间：2009-11-27 来源：互联网发布评论进入论坛一、引言地源热泵系统中冷/热源采用地埋管换热器，这种地热换热器与工程中通常遇到的换热器不同，它不是两种流体之间的换热，而是埋管中的流体与固体(土壤)之间的换热，属于非稳态，涉及时间跨度很长，空间区域很大，换热特性对地源热泵系统性能有决定性的作用，影响着地埋管换热器设计是否合理，进而决定了地源热泵系统的经济性和运行的可靠性。
对于实际工程中常用的垂直U型管地源热泵系统，影响系统性能因素主要在于地埋管换热器管长的设计，其设计计算主要采用《地源热泵系统工程技术规范》中的公式：由此可见，在换热负荷一定的条件下U型地埋管长度主要取决于土壤层水文地质和热物性。
由于地埋管处于地下土壤中，属地下隐蔽工程，其热物性的测量不能直接进行，主要是结合导热反问题和参数估计法来确定。
鉴于现场测量的困难和地埋管钻井内埋设的不确定性，这些参数的误差均较大，从而最终影响地埋管长度的设计准确性。
现对公式(1)、(2)进行变换可得：如果能够获取单位管长换热量，则可以设计计算地源热泵系统地埋管的容量，确定热泵机组参数以及选择循环泵流量与扬程等。
单位管长换热量如果选择偏大，必然导致埋管量偏小、埋管内水的进出口温度难以达到热泵机组的参数要求，使得机组效率过低，热泵的制冷、制热量达不到建筑物需求，导致系统设计不满足要求。
反之，虽满足要求但初投资过高，地源热泵系统经济性降低。
由于单位管长换热量不仅与地下土壤传热温差有很大的关系，而且与地下水位的高低以及土壤中含水量的多少等诸多因素有关，因而需要对实际地源热泵工程进行现场测量，方可获得较精确的设计参数。
二、实验装置简介1. 实验装置组成实验装置于2006年11月在华中科技大学建筑环境与设备综合实验中心建成，同年12月1日投入使用，已经完成原始地温测试、冬季供热工况测试。
该装置实验台在测试运行期间，工况稳定，运行正常。
土壤源热泵垂直埋管换热器的换热性能研究
土壤源热泵垂直埋管换热器的换热性能研究目录第一章绪论 (1)1.1 课题研究背景及其意义 (1)1.1.1 能源环境危机日益严峻 (1)1.1.2 地热能开发利用势在必行 (2)1.1.3 土壤源热泵技术的研究意义 (2)1.2 土壤源热泵简介 (3)1.2.1 土壤源热泵的工作原理 (3)1.2.2 土壤源热泵的优缺点 (4)1.3 国内外土壤源热泵的研究现状 (5)1.3.1 地埋管换热器的传热模型研究 (5)1.3.2 地下水渗流的强化传热 (6)1.3.3 土壤分层对换热器换热的影响 (7)1.3.4 运行控制参数的强化传热 (7)1.4 课题的提出及其主要研究内容 (8)1.4.1 课题的提出 (8)1.4.2 课题主要研究内容 (8)1.5 本章小结 (9)第二章土壤源热泵传热过程相关理论分析 (10)2.1 土壤的结构组成与传热机理 (10)2.1.1 土壤的结构组成 (10)2.1.2 土壤的传热机理 (10)2.2 多孔介质的相关理论 (11)2.2.1 多孔介质的基本参数 (12)2.2.2 多孔介质的传热与流动控制方程 (15)2.2.3 非饱和多孔介质热湿迁移机理 (18)2.2.4 毛细管内液膜传热与液面蒸发理论分析 (21) 2.3 多孔介质模型在Fluent软件中的处理 (22)2.3.1 多孔介质模型在Fluent软件中的限制与假设 (22) 2.3.2 多孔介质各方程在Fluent软件中的处理方式 (23) 2.4 本章小结 (24)第三章垂直地埋管换热器物理模型的建立 (25)3.1 模型建立时的假定条件 (25)3.2 几何模型的建立 (25)v3.3 模型网格的划分 (26)3.4 边界条件的设置 (28)3.5 本章小结 (29)第四章垂直地埋管换热器三维数值模拟过程 (30)4.1 模型中相关参数的设定 (30)4.1.1 土壤初始温度 (30)4.1.2 土壤表面的对流换热系数 (32)4.1.3 其他参数 (32)4.2 模型求解的步骤 (33)4.3 稳态与非稳态工况分析 (36)4.3.1 夏季工况 (36)4.3.2 冬季工况 (38)4.4 本章小结 (41)第五章数值模拟结果的分析与研究 (42)5.1 地下水渗流对换热器换热性能的影响 (43)5.1.1 渗流速度 (43)5.1.2 土壤孔隙率 (46)5.2 入口流速对换热器换热性能的影响 (48)5.2.1 无渗流工况 (48)5.2.2 渗流工况 (50)5.3 土壤导热系数对换热器换热性能的影响 (51)5.3.1 无渗流工况 (51)5.3.2 渗流工况 (53)5.4 土壤比热容对换热器换热性能的影响 (54)5.4.1 无渗流工况 (54)5.4.2 渗流工况 (55)5.5 土壤分层对换热器换热性能的影响 (57)5.5.1 土壤导热系数分层 (57)5.5.2 土壤比热容分层 (59)5.6 系统运行工况分析 (60)5.6.1 连续与间歇运行方式对比 (61)5.6.2 不同间歇运行方式分析 (61)5.7 本章小结 (63)结论与展望 (64)vi结论 (64)展望 (65)参考文献 (67)攻读硕士期间参与的科研项目及取得的研究成果 (71)致谢 (72)vii第一章绪论第一章绪论1.1 课题研究背景及其意义1.1.1 能源环境危机日益严峻随着全球经济的飞速发展和人口的不断扩大，环境与能源问题已经成为当前国际中最为引人注目的问题之一。
地源热泵垂直埋管系统温度场分析
地源热泵垂直埋管系统温度场分析冯宗伟环境工程学院 11级空调洁净技术摘要：简述地源热泵垂直埋管方式的选择原理，通过埋管井中，双U管运行时冷却水进出口水温、管内水流速计算出管内外换热热量，同时将土壤近似为半无限大空间，对管内各点与无限远处的土壤同水平点间进行传热量计算，对比数据的准确性。
运用已经确定的导热量，计算出管与管壁导热后管外壁点的温度，与热泵系统运行时，温度探测器测量到的地埋管在不同深度、不同时间段时各点的温度，对两组数据进行整理与分析，来探讨地源热泵地埋管系统运行时温度场的变化规律。
关键词：地源热泵垂直埋管 U型管土壤温度场引言：热泵技术在现代社会已经是一项实用且普遍的建筑制冷取暖技术，其中的土壤源热泵是利用地下浅层地热资源进行供热和制冷的高效节能的新型能源利用技术。
它利用卡诺循环和逆卡诺循环原理实现与大地土壤进行冷热交换的目的。
地源热泵系统由于其具有节能效果好、利用可再生资源、环保效益显著、使用寿命长等优点，现在越来越被广泛运用。
地源热泵技术充分利用地壳表层土壤中的可再生低温，通过消耗少量的电能，对室内进行供冷或供热。
其占地面积小，无任何污染，运行耗电少、成本低。
本文是我们通过在武汉地区进行实地考察，观察地源热泵在运行时，地源热泵垂直地埋管系统的温度变化数据，研究热泵地下温度场的变化规律。
正文：热泵是能够在夏天提供制冷的同时也提供冬天供暖的一种系统，从能量的角度来看，热泵系统是通过高品位电能驱动压缩机促使制冷剂工质相变循环与强制循环的土壤或者空气进行传热。
在夏季的时候将室内的高温传入介质中，同时通过冷却水的循环将建筑物内部达到适宜的温度；冬季时则吸取介质中的热量，通过一定的处理之后输送给建筑物内部进行取暖。
热泵的室外换热器可以利用空气、水或者土壤作为吸热的来源或者散热的对象，按照换热器散热、吸热介质的不同，可以分为地源热泵和空气源热泵，其中地源热泵又包括了水源热泵和土壤源热泵。
地源热泵的概念在1912年在瑞士的Zoelly在一份专利文献中首次出现，在近十几年的时间里得到了广泛的应用。
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量 的变 化曲线变缓所需 的流 量也 越大 。流量 越大 ， Ｕ形管 的单位 井深平 均换热能力会 越大 ， 钻井 越经 济 ， 是 Ｕ形 管 的出入 口温 但
差会减 小 ， 势必会增大热泵 的换 热器 的面积 。当流 量增 大到一 这
０ 引言
即换热量随进 口水 温增加呈 线性 下降。如果 降低 地埋管换 热器作为地源热 泵空调系统最 为关键 的组 成部分 ， 趋势大体相 同 ， 其性能 的优劣 直接 影 响 地源 热 泵 系统 的技 术 能力 和 经济 性 能 。 地源热泵在冬季运行 中 Ｕ形 管进 口水温将 有利 于 ｕ形管 与土壤 将会大大加 强 ｕ形 管与周 围土壤 的 鉴 于 目前工程 中应用最为广泛 的垂直地 埋管系 统 ， 影响 因子 主 传热 。使用较低 的进 口水 温 ， 其 换热 。这主要是 由于进 口水 温较低 时水 与周 围 土壤 的可利 用温 要有 ： 内流量 、 口水 温 、 管 进 埋管深 度 、 回填 材 料 、 孔 间距 等 ， 钻
地源 热泵垂直地埋管传热 性能影响 因子分析 ★
赵丽博 段 飞
摘
李 政
要 ： 源热泵地下换热 器的设计是地 源热泵 系统工程应 用的 关键 和难点 ， 地 结合近 几年 国内外的研 究成果 ， 面分析 全
了管 内流量 、 管深度、 埋 回填材料 等 因子对地埋 管传热性 能的影响 ， 以期 为工程应用及科 学研 究提供依 据。 关键 词 ： 源热泵 ， 直地埋 管 ， 热性 能 ， 地 垂 传 影响 因子 中图分类号 ：Ｕ ３ ． Ｔ ８１６ 文献标识码 ： Ａ 阻亦 随之改变 。不 同流 速下单 位井 深换 热量 随进 口水温 变化 的
４ 结语
单 一来源再生混 凝土抗 压 强度试 验 的随机 模 拟结果 与试验
［ ］ 肖 祥． 生混凝 土基本 力学性 能试 验研 究 ［ ． 岛 ： ２ 再 Ｍ］ 青 山
东科 技 大 学 ，０ ８ ２０ ．
结果从 整体 上分析 十分 接近 ， 当显 著性 水平 Ｏ ＝ ． ５时 ， 一来 ｔ ００ 单 源再生 混凝 土抗压 强度试 验 结果 的分 布特征 可 以用正 态分 布模 型来 描述 ， 为再 生混凝土可靠度 的研 究打下 了基础 。
第３ ７卷 第 ２ ６期 ２０ １１ 年 ９ 月
山 西 建 筑 Ｓ ＡＮຫໍສະໝຸດ Ｉ ＡＲＣＨＩ Ｈ ＴＥＣＴＵＲＥ
Ｖｏ１３ ． ６ ． ７ Ｎｏ ２
Ｓ ｐ ２ １ ｅ． ０ １
・１ ９ ・ ３
・
水
・暖
・电
・
文章编号 ：０ ９ ６ ２ 【０ １ ２ — １ ９ ０ １０ —８ ５ ２ １ ）６ ０ ３ —２
参 考文献 ：
１８ ． ９ ５
［］ 王 ３
［］ 袁 ４
江， 薛燕飞 ， 周 辉． 生混凝 土抗压 强度研 究 ［ ］ 混 再 Ｊ． 飚． 生混 凝土抗 压抗拉 强度取 值研 究 ［ ． 海 ： 再 Ｄ］ 上 同
凝 土 ，０ ６ ７ ：７４ ． ２ ０ （ ）４ —９ 济 大 学 ，０ ７ ２０ ．
１ 垂直 地埋 管 换热 器影 响 因子
１ 管 内流量对换热性 能 的影 响 。当 Ｕ形 管 内的介 质流 量较 ） 小时， 随着流量 的增加 ， Ｕ形管 的换 热能力 显著增 加 ， 当流量 增加 到一定 的程度 后 ， Ｕ形 管 的单 位井 深 平均 换 热量 的增 加 幅度 变 缓， 且不 同深度 的钻井 的单位井深平 均换热 能力会 随着流量 的增 加越来越接 近 。钻井越深 ， Ｕ形管 的单位 井深平 均换 热能力 与流
增加单位管长 的换 热量 。 ３ 埋管深度对换热性 能 的影 响。埋 管深度 对 土壤 源热 泵 系 ） 统运行 的有效性有很 大影响 。当机组 运行时 ， 单位 管长换 热量会 随着埋管深度 的增加 而减 小 ， 这是 因为 当埋深 增加 时 ， 循环 液在
管 内停 留的时 间长 ， 出水 温度 会降低 ， 当循 环液 的平均 温度 降低
换热得到加强所致 。可 以推想 ， 在夏季 运行工 况下 ， 如果 准确 的理解 其机理和影 响规律 ， 尤其 是主要影 响 因素 的研究 与分 差较大 ， Ｕ形管 的进 口水温升 高 ， 也会 使水 与土 壤 的温 差加 大 ， 必然 也能 析， 将对实际 的工程应 用产生很大 的参考价值 。
定值后 ， 单位井深 平均换热能力 的增加 幅度 不会很大 Ｊ 。
２ 进 口水温对换热性能 的影 响。在地 源热泵 的实际运行 中， ） 地埋管 的进水温度是 随着 热泵运行工 况的不 同而时刻 变化 的 ， 从 而 引起 单位钻孔深 度 的换热 量 的变化 ， 同时 ， 地埋 管换热 器 的热
工 程 ，０ ７ ７ ：８ ．８ ． ２０ （ ） １３１９
再 Ｊ． ［ ］ 徐钟 济． １ 蒙特 卡 罗方 法 ［ ． 海 ： 海科 学技 术 出版 社 ， ［ ］ 叶孝恒． 生混凝土基本 力学性 能试验研 究［ ］ 西部探 矿 Ｍ］ 上 上 ５
Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｉ ｔ ｉ ｕｔｏ ｃ ｒ ｅ ｏ ｉ ｌ ｏ ｒ ｅ ｒ ｃ ｃ ｅ ｏ ｒ ｔ ｏ ｐｒ ｓ ｉ ｅ ｓ ｒ ｎｇ ｈ ａ ｙ ｉ ｎ ｄ ｓ ｒ ｂ ｉ ｎ ｕ ｖ ｆｓｎｇ ｅ ｓ ｕ ｃ ｅ ｙ ｌ ｄ ｃ ｎｃ ｅ ｅ ｃ ｍ ｅ ｓｖ ｔ ｅ ｔ
部分管长 由于管 内流 速降低 ， 虽然换 出了一部 分热 量 ， 但是 热流
密度小 ， 因此单位管长换热量减 少 。特别是 在运行 时 间较 短 的情
况下 ， 单位管长换热 量 随埋管 深度 的变 化 幅度较 大 ， 以运 行 时 所
间较短 的情况 下 ， 不宜选择较 大的埋管深度 。 ４ 回填材料对 换热 性 能的影 响 。回填 材料 的导 热 系数是决 ） 定地埋管换热 器换 热效果和系统效率 的主要 因素。王向岩等人 在制热工况下 ， 以超强 吸水树脂 与源土的混合物为 回填材料 ， 对地