竖直地埋管换热器设计原理与模拟软件
崔萍 刁乃仁 张方方 方肇洪
崔萍 刁乃仁 张方方 方肇洪
省部共建教育部可再生能源建筑利用技术重点实验室
山东建筑大学
山东中瑞新能源科技有限公司
山东省浅层地热能建筑应用工程技术中心
摘要：本文介绍了竖直地埋管换热器的理论传热模型及其解析解，以及根据这一模型开发并完善的地埋管换热器设计和模拟计算软件“地热之星GeoStar V3.0”。该软件可分别对竖直埋管地源热泵与太阳能-地源热泵复合系统进行地埋管换热器的优化设计与性能模拟，设计模拟结果包括：地埋管换热器设计长度与换热量、系统热泵能耗、孔壁的温度变化以及周边土壤的温度响应。最后通过与国外同行软件对比及实验验证表明，软件中采用的理论传热模型和设计计算方法可以较精确地用于指导工程实践与相关的科研项目。
关键词：地源热泵，地埋管换热器，设计模拟软件，太阳能
一、引言
竖直埋管地源热泵技术利用可再生的浅层地热能通过热泵机组对建筑物实现供暖，空调及提供生活用热水。该技术以其节能环保，符合可持续发展策略等优势在国内外得到了广泛的应用[1~2]。近年来在我国各级政府许多优惠政策的大力推动下，地埋管热泵市场发展迅速，尤其是竖直埋管的地埋管热泵系统在我国得到了快速发展。然而据市场调研，部分已建地埋管热泵项目存在不同程度的问题，例如有的系统运行效率低，实测能效比甚至低于2.8，有的系统出现冬季不热或夏季不冷的现象。笔者认为出现这些问题的主要原因在于地埋管换热器的设计计算不合理。许多工程直接以“每延米换热量”指标进行估算，如此估算所得的地埋管换热器将导致设计尺寸偏大初投资高或者尺寸偏小系统运行不可靠等各种问题。
实际上，地埋管换热器的设计计算应综合考虑地域气候、建筑物类型、以及冷热负荷均衡性等各种因素的影响，因此，地埋管热泵系统的准确设计在很大程度上依赖于地埋管换热器的优化设计。目前关于竖直地埋管换热器的传热分析及其计算方法主要有三种，分别是工程设计用的半经验公式方法，地埋管换热器的数值计算方法以及基于叠加原理的方法，上期专刊文章中已详细介绍过前两种设计计算方法。本文主要介绍基于线性叠加原理的设计计算方法及其设计模拟软件。
二、基于叠加原理的传热模型
竖直地埋管换热器通常由多个钻孔组成，单个钻孔的传热是换热器传热分析的基础。鉴于问题的复杂性，多数传热模型均以钻孔壁为界面，把所涉及的空间区域分为钻孔外的岩土部分与钻孔内部两部分。
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