有渗流地埋管传热模型及快速算法
地埋管热阻计算方法
垂直单U 型埋管内流体至井壁总热阻 在忽略轴向导热的条件下，如图3.14所示：图3.14 垂直单U 管井水平截面图如果U 型管的两根支管单位长度的热流分别为q 1与q 2，两支管内流体温度分别为T f 1与T f 2，根据线性叠加原理，所讨论的稳态温度场应该是这两个热流作用产生的过余温度场的叠加。
如果取钻孔壁的平均温度T b 为过余温度的零点，则有111122f b T T R q R q -=+ 212122f b T T R q R q -=+其中：R 1和R 2分别为两支管内流体至井壁间的热阻，而R 12是两根管子之间的热阻。
对于实际工程，钻孔中的U 型埋管在结构上通常可以假设是对称的，因此有R 1=R 2，又由于没有考虑两支管内流体沿深度方向的变化，无法分析T f 1和T f 2及q 1和q 2的区别，因此只能作进一步的简化假设：T f 1=T f 2= T f ，q 1=q 2=q l /2，以减少未知量的个数，其中T f 为埋管内流体的平均温度，q l 为单位长度U 型埋管总的传热量。
根据文献[6]推导公式得：21222212221ln ln 21ln ln 211ln 2b b sb p b o b s b b b s b b b s b op p i i d d R R R d d D d d R D d D dR d d hλλπλλλλλπλλλπλπ⎡⎤⎛⎫⎛⎫-==+⋅+⎢⎥ ⎪ ⎪+-⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎛⎫-⎛⎫=+⋅⎢⎥ ⎪ ⎪++⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎛⎫=⋅+⎪⎝⎭则埋管内流体至井壁总热阻为：4440.80.41111ln ln ln ln 2220.023Re Pr Re b b b sb o b b o b s b p i i fluidiid d d d R d D d D d d h Nu h d Nu v d λλπλλλπλπλν⎧⎫⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫-⎪⎪⎛⎫=++⋅+⋅+⎨⎬⎢⎥ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪+-⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭⋅==⋅=公式适用于埋管内流体处于紊流状态，即Re>2200，其中：s λ——土壤导热系数，W/(m ·℃)；b λ——回填土导热系数，W/(m ·℃)； pλ——埋管导热系数，W/(m ·℃)； fluidλ——埋管内水导热系数，W/(m ·℃)；bR ——钻孔内热阻，(m ·℃)/W ；o d 、o r——埋管的外直、半径，m ；id 、i r——埋管的内直、半径，m ； bd 、b r——钻井的直、半径，m ；D ——埋管管间距，m ；h ——埋管内水的对流换热系数，W/(m 2·℃)； Nu ——努塞尔数； Re ——雷诺数；Pr ——普朗特数，其值为/fluid fluid να；v ——埋管内水流速（分子），m/s ；ν——水的运动粘性系数（分母），m 2/s ； （3）垂直双U 型埋管内流体至井壁总热阻传热分析同垂直单U ，取钻孔孔壁的平均温度为过余温度的零点[6]，则有111122133144f b T T R q R q R q R q -=+++221122233244f b T T R q R q R q R q -=+++ 331132233344f b T T R q R q R q R q -=+++ 441142243344f b T T R q R q R q R q -=+++假定U 型管的四根支管在钻孔中是对称布置的，因此有Rij = Rji ，R1 = R2 = R3 = R4，1234f f f f fT T T T T ====，并有R14= R12则212442221222213221ln ln 21ln ln 21ln 22b b sb p b o b s b b b s b b b s b b s b b b s b d d R R R R R d d D d d R D d D d R d D λλπλλλλλπλλλλλπλλλ⎡⎤⎛⎫⎛⎫-====+⋅+⎢⎥ ⎪ ⎪+-⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎛⎫-⎛⎫=+⋅⎢⎥ ⎪ ⎪++⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎡⎤⎛⎫-=+⋅⎢⎥ ⎪+-⎝⎭⎣⎦则埋管内流体至井壁总热阻为：222222222ln ln 11112ln 2ln ln 422ln 2b b s b o b s b b b s b o b b b s b p i i b s b b s b d d d d D d d d R D d D d d h d d D λλλλλλπλλλπλπλλλλ⎧⎫⎡⎤⎛⎫⎛⎫-+⋅⎪⎪⎢⎥ ⎪ ⎪+-⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎢⎥⎛⎫⎛⎫-⎪⎪⎛⎫⎢⎥=++⋅+⋅+⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎢⎥++⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎢⎥⎪⎪⎛⎫-⎢⎥⎪⎪++⋅ ⎪⎢⎥⎪⎪+-⎝⎭⎣⎦⎩⎭0.80.40.023Re Pr Re fluid iiNu h d Nu v d λν⋅==⋅=其中双U 管间距D 为靠近的两支管间的距离。
地下水渗流对双U型地埋管换热器的模拟研究
地下水渗流对双U型地埋管换热器的模拟研究为确定地下水渗流对双U型地下埋管换热器换热性能的影响，利用FLUENT 软件建立实际尺寸的双U型埋管钻井换热模型和周围土壤多孔介质模型，分别对土壤中无地下水渗流和有地下水渗流且渗流速度为2×10-6m/s时对换热器换热量和地下土壤温度场影响进行模拟研究。
结果表明：在其它工况不变情况下仅改变地下水渗流速度（由0m/s到2×10-6m/s），埋管流体出口温度随着渗流速度的增大而减小，埋管的进出口温差相应的随着渗流速度的增大而增大，导致双U 型埋管与土壤间的换热量越来越大，地下水渗流增强了双U型埋管的换热能力。
标签：地下水渗流；双U型埋管换热器；模拟研究Abstract：In order to determine the effect of groundwater seepage on the heat transfer performance of double U-shaped buried tube heat exchanger，the heat transfer model of double U-shaped buried pipe drilling and the porous media model of surrounding soil were established using FLUENT software. The effects of heat exchanger heat transfer and soil temperature field on the heat transfer of the heat exchanger were simulated when the seepage rate was 2×10-6m/s and there was no groundwater seepage in the soil. The results show that when the flow velocity of groundwater is changed only in other conditions（from 0m/s to 2×10-6m/s），the outlet temperature of buried pipe decreases with the increase of seepage velocity，and the temperature difference between inlet and outlet of buried pipe increases with the increase of seepage velocity. As a result，the heat transfer between double U-type buried pipe and soil is increasing，and the heat transfer capacity of double U-shaped buried pipe is enhanced by groundwater seepage.Keywords：groundwater seepage；double U-shaped heat exchanger；simulation study引言在我国的南方，夏季的供冷能耗是建筑能耗的重要组成部分，并且在建筑总能耗中占有很大的比例。
地埋管换热器计算方法
摘 要：本文通过对某住宅小区地源热泵系统地热换热器的方案设计的工程实例，介绍了采用《地热之星》软 件设计地热换热器的方法；讨论分析了回填材料导热系数、岩土导热系数、钻孔间距以及循环液的类型四种 主要因素对地热换热器设计尺寸的影响，并指出提高回填材料导热系数、适当增大钻孔间距以及选择凝固点 较低的循环液有利于减小钻孔长度，从而节省地热换热器的初投资。
本工程采用单U型竖直埋管的形式。单个钻孔的截面示意图如图1 所示。管材采用目前国际上广泛使用的 高密度聚乙烯管（PE3408），其导热系数为
本工程采用单U型竖直埋管的形式。单个钻孔的截面示意图如图1 所示。管材采用目前国际上广泛使用的 高密度聚乙烯管（PE3408），其导热系数为 0.42 W/(m℃)；标准尺寸比为SDR11，管外径为32mm，内径为26mm。两支管间距选为C 型，即两根管子中心距 为钻孔半径。
4 方案比较 综合以上所述，在该工程地热换热器设计的方案比较中主要考虑以下几项因素的影响：①回填材料导热系数； ②岩土导热系数；③钻孔间距；④循环液的类型。
4.1 回填材料导热系数和岩土导热系数对地热换热器设计尺寸的影响
当循环液为乙二醇 16% ，钻孔几何分布为矩形阵列 4×25 ，钻孔间距为 4*5 （行间距*列间距）时，采用不 同的回填材料导热系数以及岩土导热系数计算出了一系列地热换热器的尺寸，据此画出了 1 万平米空调面积 总钻孔长度随岩土导热系数和回填材料导热系数的变化曲线图。图 2 中的曲线从上到下分别代表岩土的导热 系数为 0.8，1.2，1.6，2.0 W/(m.K) 。从图中可以看出，随着回填材料的导热系数的增大，钻孔长度逐渐减小； 随着岩土导热系数的增大，钻孔长度明显减小。另外，从图中还可以看到对于导热系数在 0.8-2.0 W/(m.K) 范 围内的岩土，当钻孔回填材料的导热系数由 0.6 W/(m.K)增大到 1.2 W/(m.K) 时，仅增大了 1 倍，钻孔总长度 就减少了 500m 左右。这说明：当回填材料导热系数较小，尤其当其小于 1.2 W/(m.K) 时，提高钻孔回填材料 的导热系数，可以减少相当可观的埋管长度。
埋地管道传热试验方案及管道泄漏检测技术讲解
埋地管道传热试验方案及管道泄漏检测技术于忠臣摘 要:根据相似理论设计埋地管道传热试验，并模拟沙箱底部及顶部环境、热油及沙子含水情况，研究热油管道周围沙体的温度分布，以解决实际生产中所遇到的热油管道稳态输送与停输后的非稳态温降场的问题。
该试验装置可以模拟管道在不同状态下的温度分布情况。
综述了埋地管道泄漏监测与泄漏检测的各种无损检测技术，并讨论了各种方法的原理、适用范围、优点和缺点等。
介绍的埋地管道泄漏监测技术包括流量平衡法、负压波法、声波法、实时瞬态模型(RTM)法、监控与数据采集(SCADA)法、激光光导纤维法和电缆传感法等，泄漏检测技术包括声波法、红外热成像法、激光扫描法和可燃气体敏感法等。
关键词:埋地管道 试验 传热 泄漏监测 泄漏检测 声波1 实验方案1.1前 言相似理论是指导模型试验和相似缩放的理论[1]。
相似理论要求，彼此相似的现象必定是同类物理现象，即能用相同的微分方程描述，具有相同的相似准数。
因此判断相似的条件应包括几何条件、物理条件、边界条件及时间条件。
二维非稳态导热微分方程为:2222p T T T c X Y λρτ⎧⎫∂∂∂+=⎨⎬∂∂∂⎩⎭ 当两个非稳态传热现象的导热系数、比热熔、密度相同时，其相似条件为:2l C C τ=式中 C τ—时间比；C l —几何比。
即在热物性相同时，其时间比为几何比的平方。
设定几何相似比为5:1，物性参数与实际情况相同，时间比是几何比的平方，对流与实际情况相同[2]。
1.2试验本体的设计根据相似理论建立试验装置, 试验沙箱由钢板焊成, 左右矩形孔为通风孔, 前后圆孔为油管孔。
沙箱底部外侧与循环水套接触。
沙箱底部设有循环水空间, 内设蛇形倒流槽, 装置截面如图1所示。
图1试验沙箱截面图1.2.1沙箱底部地下恒温层的模拟设计沙漠油田现场深7.5~8m处自然地温年变化低于1℃。
由于沙漠地貌差异，深8m处自然地温同样也有差异，因此根据现场实测自然地温为11~13℃，可确定沙箱底部温控调节范围为11 ~13℃。
《地埋管换热器传热过程的数值模拟研究》——读书报告
《地埋管换热器传热过程的数值模拟研究》——读书报告地埋管换热器的传热计算研究是地源热泵系统的难点，同时也是地源热泵技术的核心和应用基础。
因此，地源热泵技术的推广应用，关键和难点也就在于对地埋管换热器的传热机理及模型进行分析，建立准确的设计计算方法。
北京工业大学的杨刚杰在前人研究的基础上对模型进行了改进，使其能更精确的模拟地源热泵系统，并且从单管模型延伸到管群模型，对地埋管管群的布置方法进行了讨论研究，最后总结规律提出新的地埋管管长计算方法。
下面简要介绍一下文章中提出的优化后的管群数值模型。
在土壤源热泵系统中，单根地埋管换热器埋入地下深度一般为一百米，随着深度的增加，热泵系统的投资成本也随之几何增长。
但实际工程中单根换热器难以满足负荷需求，因此工程会采用由几十根或者上百根地埋管换热器组成的管群来满足工程要求。
为了保证管群换热器能高效率长期运行，必须要设计出合理的管群配置方式，如埋管深度、埋管数量、埋管间距、埋管排列方式等。
埋管太深会增加工程投资成本，埋管间距太小会造成埋管间热干扰印象长期运行和蓄热能力，埋管间距太大会增大工程需求地面面积。
为了综合考虑各个影响因素提高管群的换热效率，有必要建立地埋管换热器管群模型进行模拟，从而得出优化方案。
实际地源热泵工程中的管群排列方法主要有两种，顺排和叉排，其排列方法分别如图 1 所示。
顺排方法是以 4 根管为最小单位组成的正方形排列，每行每列间距相等；叉排方法是以 3 根管为最小单位组成的正三角形排列，每根管与其相邻管的间距相等。
本文选取顺排图 a)中的 3×3 阵列的正方形区域建立了管群顺排模型，选取叉排图 b)中正六边形区域建立了管群叉排模型。
图1、管群排列示意图在地埋管换热器单管模型基础上，利用 Gambit 软件建立管群模型，并且划分网格，方法与单管模型的方法相同，划分好网格之后的模型图如图2 所示：图2、管群模型的网格划分模拟计算分别采用有地下水渗流和无地下水渗流模型，两模型又分别有叉排和顺排两种排列方法，管群的管间距为 3m。
地埋管换热器传热系数_概述说明以及概述
地埋管换热器传热系数概述说明以及概述1. 引言1.1 概述地埋管换热器是一种广泛应用于能源节约和环境保护的技术设备，通过将导热性能良好的管材埋入地下，在地表循环流动介质实现换热以提供供暖或制冷效果。
而地埋管换热器传热系数作为评价其传热效率的指标，对于设计和优化该设备具有重要意义。
本文旨在概述地埋管换热器传热系数的相关知识，介绍测量方法与影响因素分析，并提出改进措施建议和未来发展方向。
1.2 文章结构本文共分为五个部分进行阐述。
引言部分将对本文的主题及目标进行简要介绍。
第二部分将概述地埋管换热器的基础知识、工作原理，并强调传热系数在该设备中的重要性。
第三部分将详细介绍传热系数测量方法，并对影响因素进行深入分析。
第四部分将探讨地埋管换热器传热系数在实际应用中存在的问题和挑战，并提出相应的改进措施和未来发展方向。
最后，第五部分将总结本文的主要发现，并对地埋管换热器传热系数的工程应用价值和推广前景进行评估和展望。
1.3 目的本文旨在系统概述地埋管换热器传热系数的相关知识，包括传热基础知识、测量方法和影响因素分析。
通过深入探究现有问题和挑战，提出改进措施建议并展望未来发展方向，以帮助读者更好地理解和运用地埋管换热器传热系数，在能源节约和环境保护领域中取得更好的效果。
2. 地埋管换热器传热系数概述2.1 传热基础知识在讨论地埋管换热器的传热系数之前，首先需要了解一些传热的基础知识。
传热是指物质内部或不同物质之间由于温度差异而发生的能量传递现象。
常见的三种传热方式包括导热、对流和辐射。
- 导热：通过物质内部分子之间的碰撞而进行的能量传递。
导热是固体和液体中主要的传热方式。
- 对流：通过流体内部因密度差异所引起的对流运动进行能量传递。
对流可分为自然对流和强制对流两种形式。
- 辐射：由于温度差异而产生的电场或者电子波辐射，并通过空气或真空中的电介质实现能量传递。
在地埋管换热器中，主要依靠地面、土壤等媒介中的导热来进行能量传递。
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。
土壤源热泵地埋管换热器计算模型
土壤源热泵地埋管换热器计算模型日期:汇报人：•引言•地埋管换热器工作原理•地埋管换热器计算模型•计算模型验证与优化•地埋管换热器工程应用实例目•结论与展望录CHAPTER引言01背景意义研究背景与意义研究内容方法研究内容与方法CHAPTER地埋管换热器工作原理02地埋管换热器结构地下换热器与热泵机组连接，吸收地下热量，通过热泵机组将热量传递给制冷剂，制冷剂再将热量排放到大气中，实现供冷。
冬季供暖地下换热器与热泵机组连接，将地下热量传递给制冷剂，制冷剂再将热量排放到室内，实现供暖。
传热介质热传递方式CHAPTER 地埋管换热器计算模型03传热模型建立传热模型基于土壤传热过程建立数学模型，包括土壤的导热系数、比热容等参数。
几何模型根据地埋管换热器的形状和尺寸，建立相应的几何模型。
边界条件考虑土壤温度、地埋管换热器的进出口温度等边界条件。
土壤热特性参数确定导热系数土壤的导热系数是反映其传热能力的重要参数，需要通过实验测定。
比热容土壤的比热容也是影响其传热的重要参数，需要根据土壤类型和含水率等因素进行估算。
热扩散率反映土壤对热量扩散能力的参数，与土壤的颗粒大小、孔隙率等因素有关。
010302换热器传热计算方法数值模拟简化模型实验验证CHAPTER计算模型验证与优化041模型验证方法23将模型的预测结果与理论推导结果进行对比，验证模型的准确性。
理论推导通过在地埋管换热器现场进行实验，测量实际的土壤温度和换热器性能，与模型预测结果进行对比，以验证模型的准确性。
实验测试选用多个不同的地埋管换热器计算模型，对同一个工程进行计算，并将结果进行对比分析，以验证所选模型的准确性。
对比分析模型优化方法改进算法考虑动态因素增加参数模型应用范围与局限性分析应用范围该模型适用于计算土壤源热泵地埋管换热器的性能，并预测其在不同工况下的运行效果。
局限性该模型假设土壤温度沿地下深度均匀分布，忽略了土壤导热的不均匀性，同时也没有考虑地下水的影响，这可能会对模型的预测精度产生影响。
v2一种考虑地下水渗流的地埋管三维传热模型
考虑地下水渗流的地埋管地源热泵三维数值模拟模型及其应用胡平放1﹡胡磊 2 雷飞1孙启明1徐菱虹 11、华中科技大学环境科学与工程学院2、中信建筑设计研究总院有限公司摘要：本文建立了一种考虑地下水渗流的地源热泵地埋管三维传热模型，并利用模型在Matlab环境下模拟了在无渗流、有渗流及改变地下水渗流速度时，埋管出水温度的变化以及埋管周围温度分布的变化，说明地下水渗流有利于埋管换热，在系统设计中是应该考虑的因素；借助所建模型，通过反演方法，由埋管出水温度推导出土壤综合导热系数，该方法考虑地下水渗流因素，可数值求解综合导热系数，结果可用于指导实际工程设计。
关键词：地下埋管换热器；Matlab程序；地下水渗流；土壤综合导热系数如何使地源热泵系统设计更为合理，运行更为高效，成为研究者关注的最重要的问题。
地源热泵的地下埋管深度一般在60~200m，在这么深的地层内，或多或少都存在地下水的渗流。
地下水渗流无疑会对地埋管换热器的传热产生影响。
日本有相关文献用二维数值模型检验了井内温度随抽热速度和地下水流速变化的关系。
计算结果表明：对于岩土中地下水渗透流速大于10-5m/s以上者，与假定只有导热的系统设计比较，可以达到节省埋管长度的目的[1]。
美国的Eskilson[2]利用了Carslaw[3]等给出的移动线热源问题的稳态解析解，讨论了在达到稳定状态以后渗流对地热换热器的影响。
另外Chiasson[4]等人也利用有限元法数值求解了二维的渗流问题，对一些相关问题进行了计算和比较，但未能找到较一般的规律和结论。
Gehlin 等讨论了坚硬岩石垂直缝隙中地下水渗流对岩土热物性测试结果的影响，指出即使较小的地下水渗流也会明显加强地下的传热[5]。
哈尔滨工业大学的范蕊、马最良指出目前国内外关于垂直U 型埋管换热器的传热模型都是基于纯导热的模型，主要是由于考虑地下水渗流时情况复杂，分析比较困难，但认为地下水渗流利于埋管的换热[6，7]。
土壤源热泵地埋管换热器计算模型
土壤源热泵地埋管换热器计算模型汇报人：2023-12-28•土壤源热泵地埋管换热器概述•土壤源热泵地埋管换热器设计计算目录•土壤源热泵地埋管换热器性能分析•土壤源热泵地埋管换热器优化设计•土壤源热泵地埋管换热器工程实例目录01土壤源热泵地埋管换热器概述定义土壤源热泵地埋管换热器是一种利用地下土壤作为热源和热汇的换热器，通过地埋管与地下土壤进行热交换，实现供暖或制冷的目的。
工作原理地埋管通常采用高密度聚乙烯管或无缝钢管，通过在地下钻孔或沟槽埋设，与土壤进行热交换。
在冬季供暖时，地埋管从地下吸收热量，通过热泵系统将热量提取到室内；在夏季制冷时，地埋管将室内的热量传递到地下土壤中。
定义与工作原理农业设施供暖在农业设施中，如温室、养殖场等，土壤源热泵地埋管换热器可以提供稳定的温度环境，促进植物生长和动物养殖。
游泳池和水景供暖在游泳池和水景等水体中，土壤源热泵地埋管换热器可以提供恒定的温度，保持水体的舒适性。
住宅和商业建筑供暖和制冷土壤源热泵地埋管换热器适用于新建和既有建筑供暖和制冷的需求，具有高效、节能、环保等优点。
土壤源热泵地埋管换热器的应用土壤源热泵地埋管换热器的优势与局限性优势土壤源热泵地埋管换热器具有高效、节能、环保、稳定等优点，能够满足不同建筑和设施的供暖和制冷需求。
同时，地埋管换热器不占用室内空间，对建筑布局和美观度影响较小。
局限性土壤源热泵地埋管换热器在设计和安装过程中需要考虑地质条件、气候条件等因素的影响，同时需要合理配置热泵系统和控制系统，以保证系统的稳定性和能效。
此外，地埋管换热器的初投资较高，需要综合考虑其长期运行成本和经济效益。
02土壤源热泵地埋管换热器设计计算土壤比热容表示土壤吸收或释放热量时温度的变化程度，计算时需考虑土壤的成分和密度。
土壤初始温度和边界条件确定土壤初始温度以及土壤与地埋管换热器的边界条件，有助于准确模拟地埋管换热器的传热过程。
土壤导热系数根据土壤类型、含水量、温度等因素计算土壤的导热系数，是地埋管换热器传热计算的重要参数。
地源热泵地埋管换热器传热研究_2_传热过程的完全数学描述
管内流体换热应利用三维 N2S 方程加以描 述 ,具体方程可见文献 [ 13 ] 。由于实际工程的地埋 管内流动状态为湍流 ,因此对于地埋管内流动与换 热方程 ,应采用适合的湍流模型进行求解 。目前的 湍流模型主要有零方程模型 、 一方程模型 、 两方程 模型和大涡模拟 (L ES) ,与传统模式的理论方法相 比 ,L ES 的求解结果更精确 。由于湍流流动中不 同尺度的涡的特性有本质区别 ,因此很难找到一种 通用的湍流模型 ,但传统的模拟方法恰恰忽略了大 ρ 9 K +ρ μj 9 K = 9 τ 9 9 xj 9 xj μ ε 9 (ρ i ) 9 = 9 xi 9 xi μ+
He a t tr a nsf e r of g r o u n d h e a t e x c h a n g e r f or GSHP ( 2 ) : c o m p l e t e m a t h e m a ti c a l d e s c ri p ti o n of h e a t tr a nsf e r c o urs e
★ Southwest J ia otong University , Chengdu , China
3
0 引言
地埋管换热器是地源热泵技术的核心和重要 应用基础 。地源热泵地埋管换热器传热是一个十 分复杂的非稳态传热过程 。一方面 ,换热器的埋管 方式 、 土壤特性 、 地下水文参数 、 回填材料以及地面 气象参数都影响着换热器的传热过程 ; 另一方面 , 地埋管传热过程又与地面热泵机组的运行特性相 互影响 。 由于 U 形竖直地埋管换热器的几何形状以及 管内流体和土壤耦合传热的复杂性 ,建立能精确模 拟所有实际情况的模型并求解 ,以现有的计算技术 来说几乎不可能 ,而且也是不必要的 ,因此所有的数 3 中国博士后科学基金面上资助项目 ( 编号 :20080431241) , 成 都市 “十一五” 科技发展规划重大专项建筑节能分项 , 北京市重点 实验室开放课题 ( 编号 : 2008 K09) , 西南交通大学科学研究基金项 目 ( 编 号 : 2008B17 ) , 四 川 省 青 年 科 技 基 金 资 助 项 目 ( 编 号 : 09ZQ0262076)
地下水渗流对地埋管换热器传热效率的影响
地下水渗流对地埋管换热器传热效率的影响陈刚;郑明奇;李玲【摘要】基于垂直单U型地埋管换热器的实际形状,建立了三维非稳态地下水渗流传热模型,分析了夏季工况下地下水渗流速度、渗流温度、地埋管进水温度以及管内流速对地埋管换热效率的影响.引入换热效率系数来量化地下水渗流对地埋管换热能力的影响程度.结果表明:考虑地下水的渗流可以有效的强化换热效率,对地埋管的传热影响显著;增大地下水渗流速度和减小渗流温度可加强地埋管的换热能力;选取合适的地埋管进水流速可降低系统能耗,增加换热量;根据不同的空调房间负荷,合理设计地埋管进水温度能保证热泵主机的高效运行.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2017(036)002【总页数】5页(P20-23,27)【关键词】地埋管换热器;换热效率;地下水渗流;换热能力【作者】陈刚;郑明奇;李玲【作者单位】南华大学土木工程学院;南华大学土木工程学院;南华大学土木工程学院【正文语种】中文土壤源热泵系统是把大地作为蓄热体，夏季对建筑物进行供冷，同时把热量存储于土壤中供冬季使用，在冬季通过热泵做功，把土壤中的热量利用后对室内进行供暖的热泵系统。
地埋管周围的土壤一直处在升降温的循环变化过程中，一般损耗1kW的电能就可得到3kW以上的冷热量[1]，提高了空调系统的能源利用率。
目前国内外关于地埋管换热器的理论研究有很多，其中大部分认为地埋管和土壤之间只存在热传导，不考虑地下水渗流这一动态因素[2]。
实际工程中，垂直地埋管的埋设深度范围内往往都会存在地下水的渗流，甚至会有地下水流动的现象[3]。
本文基于湖南地区某高校垂直单U型地埋管的实际形状，建立了三维传热模型，利用有限元分析软件ANSYS15.0模拟计算地下水渗流对于垂直地埋管换热效率的影响，模拟时间为168h。
1.1数学模型垂直地埋管换热器周围土壤是由固相、液相、气相构成的多孔介质，其传热过程包括土壤的热传导、地下水的热传导和对流换热，为了便于模拟分析，做出了如下假设：①将土壤看作是一个均匀的、各向同性的饱和多孔介质，并且在整个传热过程中，土壤的热物性参数保持不变；②忽略环境温度变化对于近地表面土壤温度的影响，认为土壤的初始温度相同，无穷边界处保持恒定；③地埋管与回填材料、回填材料与钻井壁之间不存在接触热阻；④不考虑辐射传热和粘性耗散，忽略质量力；⑤地下水渗流速度均匀，且仅考虑沿水平x方向。
管子传热量计算公式
管子传热量计算公式热传导是热力学中的一个重要概念，它描述了热量如何在物体之间传递。
在工程领域中，热传导的概念被广泛应用于管道传热的计算中。
管道传热是指通过管道将热量从一个地方传递到另一个地方的过程。
在这个过程中，我们需要计算管道的传热量，以便设计合适的管道系统来满足特定的热传导需求。
管子传热量的计算公式是一个重要的工程工具，它可以帮助工程师们准确地计算管道传热量，从而设计出高效的管道系统。
在本文中，我们将介绍管子传热量的计算公式，并讨论如何应用这些公式来解决实际的工程问题。
管子传热量的计算公式通常包括两个主要部分，传热系数和温度差。
传热系数是描述管道内部热传导能力的参数，它取决于管道材料的热导率、管道壁的厚度以及管道表面的热传导性能。
温度差则是描述管道两端温度差异的参数，它取决于管道内部的热源和热汇。
通过这两个参数的计算，我们可以得到管子传热量的准确值。
传热系数的计算通常涉及到管道的材料和结构，以及管道表面的热传导性能。
对于不同材料和结构的管道，传热系数有所不同。
一般来说，金属管道的传热系数要高于非金属管道，因为金属具有更好的热导率。
此外，管道的表面处理也会影响传热系数，比如表面光洁度和表面涂层都会对传热系数产生影响。
温度差的计算通常涉及到管道两端的温度差异。
在实际工程中，我们需要测量管道两端的温度，并计算出温度差。
温度差越大，管子传热量就越大。
因此，在设计管道系统时，我们需要合理控制管道两端的温度差，以满足特定的热传导需求。
管子传热量的计算公式可以用来解决各种实际的工程问题。
比如，在工业生产中，我们需要设计高效的管道系统来传递热量，以满足生产过程中的热传导需求。
在建筑领域中，我们需要设计供暖系统和制冷系统来满足建筑物内部的热传导需求。
在能源领域中，我们需要设计输油管道和输气管道来传递能源，以满足能源的输送需求。
在环保领域中，我们需要设计废热回收系统来回收工业生产过程中的废热，以减少能源消耗和环境污染。
U型埋管地热换热器的传热模型及换热性能的提高
U型埋管地热换热器地传热模型及换热性能地提高摘要高效利用可再生清洁地地热能、提高人居环境地舒适度并实现节能环保是本课题研究地主要目地 . 传统地空调系统受环境温度影响大、能效较低。
水源热泵空调系统存在回灌难、污染地下水等问题。
土壤源热泵空调系统在供暖、制冷、供热水等方面具有运行稳定、效果良好等优点 , 在国外己广泛应用 . 但国内地研究与应用起步较晚 , 解决地埋管换热器与土壤间地强化传热、系统初投资较高等问题是推动其发展地关键 . b5E2RGbCAP本文以竖直U型埋管换热器为研究对象，采用数值模拟方法对影响地埋管换热效率地各种因素进行研究 , 结果表明 , 井深、流体速度、回填材料导热系数及支管中心距对换热地影响较为明显，当井深小于150m时，增加井深使换热器地总换热量增大，但当井深大于250m时，由于支管间热短路现象加剧，随着井深地增加总换热量趋于平缓，且钻井费用提高，因此最佳井深范围可取 150m-250m提高 u 型管内流体地流速 , 使总换热量与 u 型埋管换热器效率增加 , 当流速超过 0.8m/s 时两者地增加速率都已很低 , 而同时 u 型管进出口压降却迅速增大 , 因此, 推荐 u 型管内经济流速范围为 0.4m/s-0.8m/s. p1EanqFDPw关键词地源热泵；换热器；传热模型；换热器效率引言随着传统不可再生能源地不断消耗 , 能源紧缺地问题日益严重 , 具有节能特点地地源热泵（ground source heat pump> 系统越来越受到人们地关注 . 地源热泵系统是一种利用地下浅层地温地热资源 <常温土壤或地下水）地既可供热又可制冷地高效节能热泵系统 . 它卞要包括三个部分 :从土壤、地下水或地表水吸热 / 放热地装置；热泵机组；送风系统 . DXDiTa9E3d 根据地源热泵祸合换热系统地换热方式 , 可以把地源热泵系统分为闭式循环系统和开式循环系统 . 本文研究地是闭式循环垂直式热泵系统 . 设置地热换热器是闭环地源热泵（或称地下偶合热泵）空调系统地最大特点 . 这种地热换热器中地传热是管内流体与周围岩土之间地换热 , 与两种流体之间换热地常规换热器有很大地不同 . 通常地热换热器有水平和竖直两种布置方式 . 竖直布置地地热换热器通常都是在钻孔内布置 U 型地塑料管 ,再加上回填材料 , 与周围岩土构成一个整体 . 由于竖直埋管地热换热器具有占地少、工作性能稳定等优点 ,己成为工程应用中地主导形式 . 对其传热模型地研究也就成为开发地源热泵空调系统首要地课题 . 地源热泵空调系统地主要缺点是其地热换热器地初投资较高 ,这也是阻碍地源热泵空调系统发展地主要原因之一 . 因此对地热换热器地结构进行优化设计,并提供可靠地设计计算模型是降低地热换热器造价地重要途径, 也是推广地源热泵地关键技术之一 [1]. RTCrpUDGiT对地源热泵U型管地下换热器地研究，在工程上国内外主要使用线热源模型和柱热源模型[2-3],虽然模型考虑了 U型管地具体形状以及其他影响因素，但由于使用地都是一维模型 , 只研究某水平平面 , 不能全面反映整个换热区域地换热情况[4-5]. 刁乃仁等通过解读地方法得出了一维和准二维地模型 [6].. 但其一维和二维模型主要是建立在回填土区域 , 由于 U 型管地下换热器传热地不均匀性 , 回填土最外层地壁温显然不是均匀地 . 而且在非稳态过程中 , 回填土最外层壁温很难确定.为了研究整个换热区域地情况,本文使用CFD数值仿真软件对地下 U 型管换热器进行了模拟，进而研究了 U型管换热器主要参数对U型管换热器换热效率地影响 .5PCzVD7HxA1.数学模型1. 1 假设条件由于 U 型竖直埋管地下换热器地几何形状和土壤传热地复杂性 , 为了减少网格数量和降低计算地难度 , 所以要进行必要地简化 . 同时, 为了保持所得结果地精度符合工程要求 , 作如下假设 : jLBHrnAILg<1 ）土壤是均匀地 , 而目在整个传热过程中土壤地热物性不变 . 由于地下换热器引起地土壤温度变化比较小 , 因此可以这样假设 . xHAQX74J0X<2 ）忽略土壤中水分迁移地影响 .（ 3> 忽略 U 型管管壁与回填材料、回填材料与土壤之间地接触热阻 .(4> 忽略地表温度波动以及埋管深度对土壤温度地影响，认为土壤温度均匀一致，初始阶段为当地地年平均气温.LDAYtRyKfE(5> 认为U型管底部弯管是绝热地，而流体地速度分布和方向改变.(6>钻孔间距足够大，忽略孔与孔之间地传热影响.1.2 一维导热模型工程上对单U型埋管与地层地传热问题，通常分为两部分来处理.一是钻孔内部地传热，二是由钻孔壁面至外部地层之间地换热.与钻孔壁以外部分地传热过程相比，由于钻孔内部(包括回灌材料、管壁及传热介质>地几何尺寸和热容量都相对要小得多，而且其温度变化都较为缓慢，因此可将钻孔内部地传热过程当作稳态地传热过程来处理.除了对于讨论地时间尺度小于数小时地动态问题外，这样地简化已被证明是合理地和方便地.另一方面，由于钻孔地深度远大于其直径，因此，岩土和钻孔地回灌材料中地轴向导热，与横截面内地导热相比可以忽略不计.由于U型管地结构特点，钻孔横截面上地导热明显是二维地，求解较为困难. 因此，工程上采用地最简单地模型是把钻孔中U型管地两个支管简化为一个当量地单管[8],由此回避了 U型埋管两支管与钻孔因不同轴而带来地复杂问题，并进而把钻孔内部地导热简化为一维导热.显然,这样地模型缺乏理论依据，过于粗糙, 当然无法讨论U型管两支管地位置及其相互间地传热对整个换热过程地影响.简化地一维模型不能反映管间距和孔外地层地导热系数对孔内热阻地影响.Zzz6ZB2Ltk1.3二维导热模型在忽略轴向导热地条件下，如果U型管地两根支管单位长度地热流分别为q1 和q2,根据线性迭加原理，所讨论地稳态温度场应该是这两个热流作用产生地过余温度场地叠加.这就是钻孔横截面上地二维稳态导热模型[7]. dvzfvkwMI1二维模型地引入，对于钻孔横截面上地导热热阻，包括支管与孔壁间地热阻和两支管间地热阻，给出了定量地解读式，进而可以分析讨论U型管在钻孔中地几何配置对导热地影响.因此，二维模型明显优于一维模型.但是在此二维模型中也没有考虑两支管内流体温度沿深度方向地变化.rqyn14ZNXI1.4准三维导热模型一、二维模型都因为没考虑流体温度沿程地变化，因此不能确定各个横截面上地传热量；而且忽略了U型管由于两支管中流体温度地不同而引起地热流“短路”现象.因此,在二维模型地基础上，流体温度在深度方向地变化必须予以考虑.考虑管内流体温度沿着深度方向上地变化，为保持模型地简明，钻孔内固体部分地轴向导热仍忽略不计.这可称为准三维模型[8]. EmxvxOtOco2.各种因素对换热性能地影响2. 1管腿中心距和竖井直径地影响将U形管地管腿中心距分别设为100mm, 80mm, 60mm其他条件与上述模型一样，计算所得每 M深井地平均热流量为 28.82w/m, 27.43w/m,25.13w/m.由此可见，中心距越小时，热流量越小，这是因为，管腿中心距越小，管腿之间相互影响越大.在热阻一定地情况下，埋管周围温度越高，热流量越大，两管腿之间影响越小，相反，埋管周围温度越低，热流量就越小，两管腿之间影响就越大.U型管周围部分,温度依次降低，也正说明了热流量随管腿中心距地减小而减少.而且管腿中心距由84mm 到60mm热流量下降地程度是1 OOmrSJ 80mnd地 1.65倍，这也正说明：管腿中心距越小，热流量减少地程度越大，反过来说，中心距越大，热流量增大地程度越小.SixE2yXPq5流动压力损失分别为 29.98kpa. 3d.35kpa. 30.78kpa, 由此可见，中心距小时,水流经过 U形弯管时，局部压力损失较大，所以总体压力损失稍大.但是6ewMyirQFL管腿中心距为60mm时,压力损失仅比管腿中心距为100mm时大2.7%,因此管腿中心距对压力损失影响很小，可以忽略不计.kavU42VRUs因此，在竖并允许地范围内，为了保证较大地热流量和较小地压力损失，尽量保持较大地管腿中心距，但是由于管腿中心距越大，增加地热流量就越少，因此,没有必要为保持较大管腿中心距，而增加竖井直径，这样会得不偿失.将竖井地直径分别设为200mm. 250mm. 300mn其他条件与上述模型相似,得到地单位深井热流量分别为 28.82w/m. 29.7w/m, 30.35w/m, 这是因为回填物地热阻小于周围土壤 ,竖井直径加大相当于传热热阻减小 , 所以热流量较大 . 但是由计算结果可知,直径为300mn竖井地热流量仅比200mm竖井地热流量大 5%,可见竖井直径对热流量地影响并不很大 .综上所述 , 工程上应使用适宜打井地经济合理地竖直直径 , 而不要为增大有限地热流量而使用大地竖直直径 , 因为这样做会增大工程造价 , 而其优化传热效果并不明显 .2. 2 回填材料热导率对换热效率地影响当考虑地源热泵地性能时 , 回填材料是非常重要地 , 材料要有一个较大地导热率以增加土壤地传热量 , 但这个导热率如果太大地话 , 系统反而可能产生热短路现象（热短路现象是指 :U 型管两管脚之间存在温差 , 温差最大处位于 U 型管进出口处,越往下,温差呈递减趋势，由于U型管进出口处温差大，加之两管间距离较小, 在这里可能发生较强地热量传递 , 从而使出水温度在进口段较短距离内下降（上升＞很大, 以致影响传热 . y6v3ALoS892. 3 钻孔深度对换热效率地影响除进水管进水水温取 40C、支管间距取为150mm钻孔深度改变以外,主要参数同表2.通过CFD莫拟计算,结果见图1和图2.从图1和图2可以看出,在钻孔深度增加时，出水口出水平均温度几乎是线性下降，但当钻孔深度超过80m后, 两支管地温升比急剧增加,从80m地 2急剧增加到100m地3,支管间地漏热加剧从而降低了单位管长地换热效率 . 因此, 建议钻孔深度不要太深 , 对要求较低出水温度地工况可以使用两个 U型管并联工作来减少支管间地温升比，提高单位管长地换热效率 .M2ub6vSTnP30^0 SO1090 10钻孔深度/m图1出水温度随钻孔深度地变化曲线Fig.5 Change of the outlet water temperature with holedepth OYujCfmUCwand outlet temperatures2.4不同流速对热效率地影响 根据工程经验，管内流速一般都小于1.2m/s,拟选取1.2m/s,0.9m/s,0.6m/s,0.5m/s,0.4m/s,0.3m/s,0.2m/s,0.15m/s. 流速为 1.2m/s 时,管内流动雷诺数为20000,0.12m/s 时，雷诺数为2000,这样地选取覆盖了从过 渡流到旺盛紊流地不同流态，其单位井深平均热流量变化情况如图7. sQsAEJkW5T由图3可知,在进口水温一定时，传热量随流速增大而增加，但是变化趋势逐 渐变缓•流速在0.12-0.4m/s 地阶段，换热量随流速地增加幅度较大 ，而0.4- 31 iH图2两支管地温升比随钻孔深度地变化曲线Fig.6 Change of the specific value between inlet with hole depth euts8ZQVRd0.6m/s地阶段,换热量随流速地增长幅度较小，约为原来地一半甚至更小，流速在0.6m/s以上时，换热量随流速地增加改变地幅度已经很小，也就是说，每增加单位流速得到地热流量增量随着流速地增加在减小.GMsIasNXkA图3不同流速下热流量地变化趋势3.结论（1>地源热泵U型管地下换热器地换热效率随支管间距地增大而增加，但当支管间距增加到一定值后支管问距地增加对 U型管地下换热器换热效率地影响变弱. 在使用地回填土材料热导率变大时，支管间距地变化对U型管地下换热器换热效率影响变大，因此建议在使用高热导率材料地同时应该适当加大U型管两支管地间距.TlrRGchYzg<2 ）地源热泵U型管地下换热器地换热效率随回填土材料热导率地增加而增大•为了提高U型管地下换热器效率，应该努力提高回填土层地热导率.7EqZcWLZNX （3）在钻孔深度增加时，出水口出水温度几乎成线性下降；但是当钻孔深度超过80m时,两支管地温升比急剧增加，从80m地2急剧增加100m地3,支管间地热损失加剧，从而降低了单位管长地换热效率•因此，在实际操作中建议钻孔深度不要太深，对要求较低出水温度地工况可以使用两个U型管并联工作来减小支管间地温升比,提高单位管长地换热效率.lzq7IGf02E数减小,如果流动状态由紊流流动变为层流流动 , 则对流换热系数变化就很显著并且由于地下换热埋管是闭环系统 , 水泵扬程只需克服沿程摩擦阻力和局部阻力不考虑提升高度 , 因此, 流速可以适当取高一些 , 以保证管内流体流动处于紊流状态,从而增加对流换热系数 .但是如果流速过高 , 压力损失会很大 , 增大了循环水泵地扬程 , 得不偿失 , 因此 , 我们应综合考虑热流量和压力地损失 . zvpgeqJ1hk4.研究方向及应用前景目前地源热泵系统地应用以每年10%左右地速度递增 , 未来对于该系统地研究将更集中于高效率和低投资方面 . 未来对于地源热泵系统地研究将主要集中在以下几个领域：4.1 地源热泵系统仿真模拟研究通过仿真模拟技术对地源热泵系统能耗、设计、控制等方面进行分析地手段已经成为对于研究地重要方式之一 , 而地下埋管换热器 <ground-loop heat exchanger ) 是地源热泵系统地重要组成部分 , 它地换热情况是研究地重点 , 因此对于地源热泵系统地仿真模拟 , 主要研究方向集中于地下埋管换热器模型地建立和优化 .4.2 地源热泵系统控制策略研究对地源热泵系统而言 , 如何能够更有效地进行长期稳定地制冷或供热是评判该系统优劣地标准 . 建筑物冷热负荷和地下埋管换热器向土壤地排吸热量不均、地下埋管换热器地换热量受地下水渗流影响等问题 , 同时空调系统中多种冷热源地综合利用已越来越普遍 , 因此对于地下埋管换热器系统控制策略研究显得尤为重要 .4.3 地下埋管换热器填料优化研究对于地下埋管换热器孔洞中填料地优化研究有利于提高地下埋管换热器和土壤之间地换热量 , 提高系统地效率 . 4.4 土壤导热率测试技术研究地下埋管换热器地传热过程较为复杂 , 涉及地因素较多 , 因此建立和完善地下传热模型 , 使其具有更好地适应性和计算精度 , 为地下埋管换热器地设计和土壤热物性地测定提供理论基础必将成为研究工作地重点 . 同时, 在系统地施工中 , 如何能够快速有效地通过测试和仿真 ,从而得到土壤物性参数 , 是目前实际工程中所关心主要技术问题之一 .4.5 多种影响因素地考虑和螺旋埋管等不常见换热器地研究现有地下埋管换热器模型以垂直地下埋管换热器地仿真模型居多 , 而对于水平埋管、倾斜埋管以及螺旋埋管地建模研究相对而言有所欠缺. 随着计算机仿真技术地不断发展 , 考虑到管群地影响、土壤冻融地影响、地下水渗流等相关因素地影响, 必然需要对地下埋管换器仿真模型加大研究地投入 . NrpoJac3v1 参考文献[1]曾和义,刁乃仁, 方肇洪.竖直埋管地热换热器钻孔内地传热分析 .太阳能学报 ,2004,25(3> ： 3991nowfTG4KI[2]Gu Yian, O ' Neal Dennis L. An analytical solution to transientheat conduction in a composite region with a cylindrical heat source.Trans ASME,1995,117:242 fjnFLDa5Zo[3]柳晓雷, 王德林,方肇洪. 垂直埋管地源热泵地圆柱面传热模型及简化计算山东建筑工程学院学报 ,2001, 16( 1>: 47 tfnNhnE6e5C,Spitler ,J D. A short time step response factor[4] Y avuzturkmodel HbmVN777sLfor vertical ground loop heat exchangers. ASHREAETrans , V7l4jRB8Hs1999, 105( 2>:475[5] Muraya N K ,O ' Neal D L,Heffingt on W M. Thermal interferenceof adjacent legs in a vertical U-tube heat exchanger for a groundcoupled heat pump. ASHREAE Trans,1996,102(2>：1283lcPA59W9[6]刁乃仁,曾和义,方肇洪.竖直U型管地热换热器地准三维传热模型. 热能动力工程 .2003, 18( 4> : 387[7]. Diao N R, Cui P and Fang Z H, The thermal resistance in a borehole ofgeothermal heat exchanger, Proceeding of 1th2International Heat TransferConference,France, 2002.mZkklkzaaP[8]曾和义，方肇洪.U形管地热换热器中介质轴向温度地数学模型山东建筑工程学院学报 ,2002,17(1>:7-11.AVktR43bpw。
地埋管取热量计算
地埋管取热量计算地埋管取热量计算是指通过埋设在地下的管道来利用地下热能进行供热或制冷。
地埋管取热量的计算是衡量地热能利用效果的重要指标之一。
本文将从地埋管取热量计算的原理、方法和关键因素等方面进行探讨。
一、地埋管取热量计算的原理地下土壤具有良好的保温性能，可以保持相对稳定的温度。
地埋管取热量的计算基于地下土壤与管道之间的热交换过程。
当地下土壤温度高于管道中的流体温度时，热量会通过管壁传递到流体中，实现热能的转移。
因此，地埋管取热量的计算要考虑地下土壤的热导率、管道材料的热传导性能以及流体的流量和温度等因素。
地埋管取热量的计算可以采用理论计算和实验测量相结合的方法。
其中，理论计算主要基于数学模型和计算公式，通过输入相关参数进行计算。
实验测量则是通过在实际工程中布置传感器对地埋管系统进行监测和数据采集，根据实测数据进行计算分析。
在理论计算方法中，常用的计算模型包括热传导模型和热对流模型。
热传导模型主要考虑地下土壤与管道之间的热传导过程，通过计算热传导方程求解热量传递。
热对流模型则考虑地下土壤与管道之间的对流传热过程，通过计算对流传热方程求解热量传递。
这两种模型可以根据具体情况选择适用的计算方法。
三、地埋管取热量计算的关键因素地埋管取热量的计算受到多个因素的影响，其中最主要的因素包括地下土壤的热导率、管道材料的热传导性能、管道的长度和布置方式、流体的流量和温度等。
地下土壤的热导率是指单位温度梯度下单位距离内热传导的能力，是地埋管取热量计算中的关键参数之一。
不同类型的土壤具有不同的热导率，对地埋管取热量的影响也不同。
因此，在计算中需要准确测定地下土壤的热导率。
管道材料的热传导性能是指管道材料对热传导的特性，也是地埋管取热量计算中的重要因素。
不同材料的热传导性能差异较大，对地埋管取热量的效果有着直接影响。
因此，在设计地埋管系统时需要选择合适的管道材料。
管道的长度和布置方式是影响地埋管取热量的另一个重要因素。
地埋管取热量计算
地埋管取热量计算地埋管取热量计算是指通过埋设地下管道来获取地热能量的一种方法。
地热能是一种可再生能源，利用地下管道取热可以有效地提供供暖和热水等能源需求。
下面将从地埋管的原理、热量计算公式和实际案例等方面来介绍地埋管取热量的计算方法。
一、地埋管取热量的原理地埋管取热量的原理是利用地下管道与地壤之间的热交换作用，将地下的地热能量转移到建筑物内部，从而达到供暖和热水的目的。
地下管道中的流体通过与地壤接触，吸收地壤的热能，再将热能传递到热泵或其他热交换设备中，最后供给建筑物使用。
二、地埋管取热量的计算公式地埋管取热量的计算公式可以根据具体情况进行推导，以下是一个常用的计算公式：Q = m × c × ΔT其中，Q表示取热量，m表示流经地埋管的流体质量，c表示流体的比热容，ΔT表示流体在进出口温度差。
三、地埋管取热量的实际案例下面以某小区地埋管取热为例，来介绍地埋管取热量的计算方法。
某小区地埋管系统总长度为1000米，埋深为2米，管道直径为0.1米，流体质量为0.1kg/s，进口温度为10摄氏度，出口温度为20摄氏度。
根据上述数据，可以进行以下计算：计算地埋管的表面积：A = π × D × L其中，A表示地埋管的表面积，π为圆周率，D为管道直径，L为地埋管的长度。
代入具体数值，可得：A = 3.14 × 0.1 × 1000 = 314平方米然后，计算地埋管与地壤之间的热交换量：Q = A × U × ΔT其中，Q表示取热量，A表示地埋管的表面积，U表示地埋管与地壤之间的热传导系数，ΔT表示流体在进出口温度差。
根据实际情况，假设地埋管与地壤之间的热传导系数为20W/（平方米·摄氏度），则代入具体数值可得：Q = 314 × 20 × (20-10) = 6280W将取热量转换为热量需求：Q' = Q × 3600 / η其中，Q'表示热量需求，Q表示取热量，3600为换算系数（将秒转换为小时），η表示热泵或其他热交换设备的效率。
地源热泵地埋管施工计算方法
地源热泵地埋管施工计算方法（一）管材选择及流体介质一、管材一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐腐性。
1、聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。
2、PVC（聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC 管。
3、为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。
4、管件公称压力不得小于1.0Mpa，工作温度应在-20℃～50℃范围内。
5、地埋管壁厚宜按外径与壁厚之比为11倍选择。
6、地埋管应能按设计要求长度成捆供应，中间不得有机械接口及金属接头。
二、连接1、热熔联接（承接联接和对接联接，对于小管径常采用）2、电熔联结三、流体介质及回填料流体介质南方地区：由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0℃以上，因此多采用水作为工作流体；北方地区：冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0℃，因此一般均需使用防冻液。
（①盐类溶液——氯化钙和氯化钠水溶液；②乙二醇水溶液；③酒精水溶液等）。
埋管水温：1、热泵机组夏季向末端系统供冷水，设计供回水温度为7—12℃，与普通冷水机组相同。
地埋管中循环水进入U管的最高温度应 <37℃，与冷却塔进水温度相同。
2、热泵机组冬季向末端系统供水温度与常规空调不同，在满足供热条件下，应尽量减低供热水温度，这样可改善热泵机组运行工况、减小压缩比、提高cop值，并降低能耗。
地埋管中循环水冬季进水温度，以水不冻结并留安全余地为好，可取3—4℃。
当然为了使地埋管换热器获得更多热量，可加大循环水与大地间温差传热，然而大地的温度是不变的，因此只有将循环水温降至0℃以下，为此循环水必须使用防冻液，如乙二醇溶液或食盐水。
但这样会提高工程造价、增加对设备的腐蚀。
在严寒地区不得不这样做，而在华北地区的工程中用水就可满足要求，不一定要加防冻液。
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有渗流地埋管传热模型及快速算法
作者：陈友明张训水杜立志刘向伟
来源：《湖南大学学报·自然科学版》2013年第01期
摘要：考虑地下水渗流的地埋管传热模型能更精确地描述地埋管换热的实际工况，现有
的考虑渗流的地埋管传热解析模型计算繁琐耗时提出了计算速度更快的g函数解析解，并利用该解析解进行模拟分析. 结果表明，新的解析解在保证合理计算精度的同时，计算速度有了显著提高，钻孔壁中点温度g函数较积分平均温度g函数计算值偏大. 在阶跃热流作用下，地下水渗流能显著改善地埋管换热工况. 多钻孔埋管布置方式对钻孔域温度场有较大影响.
关键词：水平渗流；地埋管换热器；温度响应；算法；g函数
中图分类号：TK5212 文献标识码：AA Heat Transfer Model of Geothermal Heat Exchangers。