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热泵系统地下换热器埋管模型理论与计算点击：1648 日期：[ 2014-04-26 22:00:28 ] |
| 热泵系统地下换热器埋管模型理论与计算 田 刚1, 李晓东2 (1·哈尔滨工业大学建筑设计研究院, 哈尔滨 150090;2·黑龙江省建筑设计研究院, 哈尔滨 150001) 【摘要】文中以土壤源热泵地下换热器水平埋管为研究对象,建立了地下埋管的二维数学模型。使用边 界离散、保形变换方法对模型进行求解,得到级数形式的解。对数学模型求解时,考虑了其他算法所忽略的因素 (管壁外表面温度、地下埋管上方大地表面温度等)。 【关键词】 地下换热器水平埋管;理论分析与计算 【中图分类号】 TU832 【文献标识码】 B【文章编号】 1001-6864(2008)06-0138-03 0 前言 土壤源热泵地下埋管换热器的传热过程分析,是土壤源 热泵性能分析和技术发展的关键环节,正确的换热计算方法 是合理地设计土壤源热泵系统、顺利投产运行和管理的重要 科学依据。模拟埋地换热器的传热过程主要是模拟地下埋 管及其邻域的土壤温度场。土壤源热泵中地下水平埋管是 浅埋构筑物,管道的传热过程及土壤温度易受到各地区气候 等因素的影响。 1 模型的建立与求解 土壤源热泵研究的许多技术问题要求对地下埋管的温 度场和热流密度进行比较精确的分析,特别是地下埋管及其 土壤邻域。例如,研究地下埋管准静态热力损伤;分析埋设 区土壤的冻融状态和土壤的热物性变化;利用实测管道断面 最大温差反演土壤平均导热系数的演变等问题。因此,从较 精确的多层复连通域出发,导出解析形式的温度场有较大意 义。土壤源热泵地下水平埋管稳态热力计算的理论模型在 其横剖面上应当是平面多层区域内的热传导问题,该传热过 程是边界条件较为复杂的二维传热问题。由于水平埋管埋 深较浅,该模型与其他分析解模型的区别在于充分考虑了大 气温度对换热管周围土壤温度场的影响。 土壤中埋管受土壤温度、大气温度的影响,管内流体的 能量通过管壁与周围的土壤进行热交换。由于地下埋管管 内流体与管道内壁的换热热阻较小,在计算中可以近似地加 以忽略,地下埋管内表面温度可近似认为常数,即为管内流 体温度。但由于地下埋管的材质的传热系数较小,管壁内沿 径向存在温度梯度,地下埋管的外表面温度已不为常数,地 下埋管内的导热问题不应为简单的一维传热问题而是二维 导热问题。大地表面温度由于受到埋设的地下埋管的影响, 存在较大温度梯度。土壤温度必然随着与地下埋管的相对 位置而不同。 事实上,土壤源热泵地下埋管的传热过程非常复杂,存 在很多的影响因素,如:由于水平埋管属于浅埋,必然受到大 气昼夜和季节的温度波动,地层本身热流所产生的热流场等 影响。为了抓住水平埋管及其周围土壤温度场计算中的主 要因素,可以忽略一些模型中的非决定性的因素,因此文中 在计算中对模型作了如下的假设: (1) 对垂直于管道轴向方向的截面进行分析;在短距 离内忽略土壤源热泵地下埋管内介质温度轴向温降,管内介质温度为定值。 (2) 土壤是均匀的,地下埋管的管壁材质常物性、各向 同性。 (3) 忽略地下埋管内表面与管内介质的换热热阻,管 内介质温度与地下埋管内表面温度相等。 (4) 计算中的大气温度取当地室外的计算平均温度。 (5) 忽略由于土壤中水分迁移而引起的热迁移。 (6) 回填土不论压实程度,土质等均为匀质大地的一 部分。 (7) 土壤的传热过程轴中心对称分布。 2 确定定解问题、边界条件及解的一般表达式 具有均匀壁厚的水平埋管如图1所示。 温度场的边界条件为: 根据文中提出的理论计算方法,结合计算机算法可以较方便计算地下水平埋管的温度解析解。 参考文献 [1] Ingersoll,Plass·Theoryofthegroundpipeheatsourcefortheheat pump[J].Heating,Piping&AirConditioning,1948,20:119-122· [2] Carslaw,H·S·,J·C·Jaeger·Conductionofheatinsolids[M]·Oxford, ClaremorePress,1947,260-265· [3] 樊洪明,史守峡,何钟怡·地下直埋管道的温度场分析[J]·哈 尔滨建筑大学学报·1999,32(5):60~65· [4] 樊洪明,朱蒙生,何钟怡·平面非规则域内非线性边值问题稳 态温度场分析[J]·哈尔滨建筑大学学报·2000,33(5)· |
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