地下水流动对地下管群换热器传热的影响分析

　　我国地域辽阔，蕴藏着丰富的地表浅层地能资源（通常小于400m），由于土壤源热泵自身的优越性，以及人们对环保、节能意识的日益重视，土壤源热泵在我国必将有着广阔的发展前景。土壤耦合热泵系统因其使用可再生的地热能，被称为是21世纪的一项具有发展前途的具有节能和环保意义的制冷空调技术而蓄冷技术则是为缓解电力供应紧张局面，在以平衡电网峰谷负荷、削峰填谷为目的的形势下迅速发展起来的一种改变电力需求侧用电方式的空调技术。鉴于此，哈尔滨工业大学提出了一种适合于以空调负荷为主、采暖负荷为辅地区的全新的热泵型空调系统一土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统。该系统在建筑物空调时段，进行周期性的蓄冷、释冷、停机运行，盘管周围土壤也随之发生周期性的冻融相变；冬季可供给建筑物所需的热量。曾经对这种系统在热传导机制下进行过研究，本文即针对这种系统，进一步研究渗流对地下管群换热器换热的影响情况。

　　目前国内外关于竖直U型埋管换热器的传热模型都是基于纯导热的模型，虽然很多研究者和工程技术人员认识到地下水渗流可能对地下埋管换热器的换热能力产生重要的影响，也提出过一些定性的分析，但是由于该问题的复杂性，至今很少见到深入的理论分析，现有的地下埋管换热器设计软件主要基于线热源理论、圆柱热源理论、能量守恒方程等来建立控制方程，也都没有考虑地下水渗流的影响。但在美国明尼苏达州，曾经出现现场测试的土壤导热系数极度偏高，后经分析是由地下水流动引起的121.英国的一栋三层办公楼夏季管内流体平均温度测试值比模拟值低很多，测试值只达到3*C，经分析是由于地下水流动使管周围的温度降低而引起的131.此外，在几个现场测试和采用人工地下水流动的模拟的1、20、S远边界g等、温\ / 23、26、29、32、35共7根管进行10h供暖。根据可知，长江中下游地区地下水位线较高，其中上海地区的地下水位线平均为1.0~1.5m，因此本文在计算有渗流情况时将地下管群换热器考虑成全部位于饱和区内。

　　地下埋管管束平面布置图其中：（PCp）t多孔介质（包括水）的总热容；kt总热导率；qt总内热源；a热容比；a *总热扩散系数。

　　针对系统夏季蓄冷、释冷运行过程中存在的固液相变问题，本文采用了固相增量法。在土壤冻融相变过程中存在着冻结区、未冻结区及两相模糊区，该两相模糊区限制在冻结温度Tms的等温界面和解冻温度Tml的等温界面之间，因此定义无因次量一固相率fs为土壤冻融相变模糊区中冻土所占的质量成分，即当/s=0时，土壤处于未冻结状态；当/s= 1时处于冻结状态；而当1时，土壤处于两相模糊区内，土壤水的相变潜热是均匀地与温度呈线性地释放与吸收，如所示。

　　2热渗耦合作用下的传热模型bookmark1地下管群换热器的传热是一个复杂的非稳态传热过程，此过程所涉及的几何条件和物理条件很复杂，通常需要进行较长时间的运算。为便于分析，须对问题做以下必要的简化。将土壤看成一个均匀的、各向同性的多孔介质，忽略质量力；不考虑热辐射影响和粘性耗散；流体与固体瞬间达到局部热平下标f和s分别对应于流体和固体。将两管脚传热相互影响的垂直U型管换热器等效为一当量直径的单管。

　　在非等温渗流中，一个物质系统或空间体积内含有固体和流体两部分，在研究实际非等温渗流时要把二者结合起来构成统一的能量方程，令土壤的孔隙率为9，则单相流体非等温渗流的能量方程为：并将固液相变过程中的潜热交换处理成内热源附加到公式（2）中，即且：进一步假设在所研究的整个区域上渗流速度V均匀且仅沿x方向余延顺。土壤蓄冷与耦合热泵集成系统的蓄冷与释冷孔祥谦。有限单元法在传热学中的应用（第三版）。北京：科学出版社。1998. 27卷陶文铨。数值传热学（第二版）。西安：西安交通大