摘要：科靈KL-0523熱泵機組土壤源熱泵系統廣泛使用的地下換熱器形式，而地下換熱器是地源熱泵系統的重要組成部分。考慮U型管的實際形狀，借助數學方法和數值分析軟件，建立了地下垂直埋管換熱器傳熱模型，并通過編程求解數學模型，得到了系統短期運行不同工況下理管周圍土壤的溫度場分布情況。通過分析得出土壤導熱系數、土壤比熱、鉆孔回填材料導熱系數以及U型管間距的大小對埋管的換熱性能具有直接影響。得出的結果可為合理設計地下埋管換熱器提供參考。 地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，其制冷、制熱系數與傳統的空氣源熱泵相比要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50%~60%。因此，近年來地源熱泵節能裝備在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，得到了廣泛的實際應用。可預測，該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術。當前的地源熱泵系統設計中，垂直U型埋管因較其它埋管方式具有節地、效率高及性能穩定等優點而成為地源熱泵地下埋管的主流形式。因此，建立較為準確的埋管傳熱模型并進行埋管和土壤間的傳熱分析是合理設計地下埋管的前提與基礎。 垂直U型埋管與土壤之間的傳熱過程是一個涉及時間尺度很長、空間區域很大的復雜非穩態過程。U型埋管傳熱分析的眾多研究者中，大多是基于等效管理論，即將垂直U型埋管處理成當量直徑的圓管。這種理論忽略了兩支管間的熱干擾。本文所進行的數值模擬考慮U型管的實際形狀，借助數學方法和數值分析軟件，以熱平衡理論和導熱微分方程為基礎，建立了地下垂直埋管換熱器傳熱模型，對地源熱泵系統夏季運行時埋管徑向周圍土壤溫度場進行模擬分析，為合理設計地下埋管換熱器提供參考。傳熱模型1.1物理模型 垂直U型埋管換熱器通常是把管子埋在地表以下的豎直鉆孔中并用回填材料填實，流體在U型埋管內流動并與土壤進行換熱，如圖1所示。換熱管以及管內流體、回填材料、鉆孔壁和土壤構成了地下換熱器的傳熱介質，因此，埋管與土壤之間的換熱實際上是一個通過多層介質的導熱過程，具體由6個換熱過程組成:換熱管內對流換熱過程、換熱管壁的導熱過程、換熱管外壁面與回填材料之間的傳熱過程、回填材料內部的導熱過程、回填材料與孔壁的傳熱過程80mm，其他模型幾何尺寸和物性參數同上。圖3(兩支管間距180mm)、圖7分別給出了3種不同U型管間距時系統運行240h后埋管周圍的土壤溫度場。管間距為180mm時，約在x一0，y一1.5處為16℃;管間距為120mm時，約在x~0.2，y一1.5處為16℃;管間距為90mm時，約在x一0.3，y一1.5處為16℃。說明埋管兩支管中心間距越大越有利于換熱，這是因為支管中心間距越大，支管間傳熱相互影響越小，越有利于埋管與土壤之間的換熱。但在工程應用中應與經濟性相結合考慮。3結束語 本文考慮U型管的實際形狀，通過建立垂直U型埋管換熱器周圍土壤溫度場的物理模型和數學模型，編制程序求解數學模型，得到了不同工況下埋管周圍土壤的溫度場分布情況。通過對系統短期運行(10d)的模擬分析得到，土壤導熱系數、土壤比熱、鉆孔回填材料導熱系數以及U型管間距的大小直接影響著埋管的換熱性能:土壤的導熱系數越大越有利于換熱，土壤的比熱越大越不利于換熱，回填材料導熱系數越大越有利于換熱，埋管兩支管中心間距越大越有利于換熱。因此確定地源熱泵系統方案之前，對土壤性能的測定和回填材料的選取應加以重視，系統設計和施工時應注重U型管的間距。
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