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竖直地埋管换热器热阻的数值计算及分析竖直地埋管换热器热阻的数值计算及分析摘要利用岩土热响应测试数据，根据《地源热泵系统工程技术规范》对竖直埋管换热器的热阻计算公式进行了数值计算，对各换热热阻对换热器性能的影响进行了分析。
计算和分析对于指导地埋管换热器设计与施工具有一定的参考价值。
关键词地层热阻热响应测试地埋管换热器Thermal resistance calculation on vertical ground heat exchangerLi Jinghui1Wang Jiankui2 Lu Lin2 Fang Xugen11 Zhejiang Construction Division Building Energy Technology Co., Ltd.2 Zhejiang Academy of Building Research & Design.ltdAbstract: Using the data of grock-soil thermal response test, andaccordingto , this paper presents the numericalcalculati onofthe vertical ground heat exchanger’s thermal resistance calculation formula,andalso analyzeshow heat exchanger resistance affect the performance of heat exchanger. The calculation and analysis have a certain reference valueinguidingthe design and construction of ground heat exchanger.Key word: ground heat resistance，heat responsetest，ground heat exchanger0 引言地层热阻是决定土壤源热泵合理设计和科学应用的核心因素，是影响地下埋管换热器传热性能及土壤源热泵系统节能与经济性的重要原因。
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。
第一章引言研究背景热泵技术及地源热泵系统随着能源危机的加重，人们开始清楚的意识到，在合理开发利用常规能源的同时，也要大力进展清洁的可再生能源，这要求人们必需关于社会能源消耗情形要有清楚的熟悉。
系统是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术的环保能源利用系统。
地源热泵系统一般是转移地下土壤中热量或冷量到所需要的地址，还利用了地下土壤庞大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏日再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环系统，实现的功能。
地源热泵系统作为热源对建筑物进行供热和空调,与空气热源相较,有全年温度波动小、数值相对稳固等优势,具有良好的节能与环境效益,最近几年来在国内取得了普遍应用。
地埋管地源热泵系统是利用2O0m之内浅层地壳中热量的地源热泵系统,它采纳地埋管换热器(geothermal heat exchanger)与大地(地层土壤、地下水)进行换热,规避了地下水地源热泵的问题,同时保留了该系统的优势,有着广漠的适用范围,因此将成为地源热泵供热空调技术的主导形式。
本文重点介绍地源热泵系统。
地源热泵系统包括一室内部份和两部份组成的室内部份包括热泵和管道系统（或风机盘管系统），类似于常规空调系统的腔室外部;地埋管换热器部份的室外部份（见图）。
图地源热泵流程示用意地源热泵系统的优势一、高效节能，稳固靠得住地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳固，土壤与空气温差一样为17度，冬季比环境空气温度高，夏日比环境空气温度低，是专门好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统运行效率要高40%～60%，因此要节能和节省运行费用40%－50%左右。
2、利用寿命长地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯，寿命可达50年。
要比一般空调高35年利用寿命。
3、节省空间没有冷却塔、和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。
4、实现了水资源的循环利用地源热泵热源的形式多样化，不管是干净清澈的地下水，资源量大而无法高效利用的海水，仍是生活和工业生产废水，抑或地表水，都能够高效的加以利用，实现太阳能量的转移，实现可持续绿色环保的。
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。
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。
•地源热泵地埋管计算方法地埋部分设计（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。
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。
