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地热换热器的计算及特点
新闻来源：创源佳业    点击数：8117    更新时间：2010/6/7 19:39:22    收藏此页
    1.与传统换热器计算的比较 
    与传统的换热器一样，地热换热器的传热计算也有两种类型，即设计计算和校核计算。设计计算的目的是根据热交换的负荷和循环液进出口温度的要求，确定所需要的地热换热器的形式，求出换热器的面积（或埋管长度）及换热器结构（布置形式）参数。校核计算的目的则是根据现有的换热器结构参数和面积，校核它是否满足预定的换热要求，一般是校核循环液的出口温度和换热量。 

    地源热泵系统中采用的地埋管换热器，与工程中遇到的换热器不同，它不是两种流体之间的换热，而是埋管中的流体与固体（地层）的换热。这种换热过程涉及的物理模型很复杂，涉及的因素也很多。它是非稳态的，涉及的时间跨度很长，空间区域很大，条件也很复杂。包括水平及竖直埋管与土壤在短期和长期工况下的换热规律、多组管道之间的相互影响、土壤冻融的影响、地下水渗流的影响等，换热器形式多种多样，地层结构及其热物性千差万别，换热器的负荷随时间变化，等等。因此，地热换热器的传热计算与传统换热器相比，也有着显著的不同。 
    
    首先，地热换热器的传热系数和传热温差（循环液的平均温度与其周围岩土温度的差）是随时间和空间而变化的；其次，换热器的结构布置和换热负荷对热交换能力有明显影响；再次，在换热量一定时，循环液进出口温度的设定，对地热换热器面积、热泵机组的性能系数计换热能力有很大影响。还有，热泵机组的性能也影响着地热换热器的计算。如夏季制冷时，设定的循环液出口温度高，传热温差大，单位埋管的换热量增加，则所需地埋管的数量减少，与此同时，热泵机组的性能系数将降低。从经济角度分析，初投资节省了，运行费用增加了。由此可见，地热换热器的设计与系统优化比传统的换热器要复杂得多。 

    2.地热换热器的计算方法 
    岩土层物性参数和热泵机组性能曲线是地热换热器计算的基础数据。工程上常用的是地热换热器的设计计算，即已知换热负荷并设定循环液进出口极限温度，要确定所需的地热换热器长度（或面积）。现将常用方法进行总结与比较。 

   （1） 工程设计用的半经验公式方法 
该方法提出较早，是以一维的线热源或圆柱模型为基础建立的计算公式。由于其计算相对于其他方法比较简单，又优于纯经验估计的方法，因此在工程中得到较多的应用。但其精度有限，适用于换热器容量不大（小型工程）或地埋管成本较低的情况。 

   （2）数值计算法 
随着计算机技术的进步，数值计算方法以其适应性强的特点已成为传热分析的基本手段，也已成为地热换热器理论研究的重要工具。该方法在地热换热器的计算中也表现出了较强的适应性和较高的计算精度。以数值计算为基础的传热模型，考虑尽可能接近现实情况的传热条件，用有限元或有限差分法求解地下的温度影响并进行传热分析。但是，由于地热换热器传热问题涉及的空间范围大、几何配置复杂，同时负荷随时间变化，时间跨度长度10年以上，因此，这种分析方法将耗费大量的计算机时间，至少在目前还只适合于研究工作中的参数分析，而不适用于工厂设计和实际的工程模拟，尤其是难以用于地源热泵系统工程的优化设计。 

   （3）基于解析解和叠加原理的软件设计法 
作者基于热阻的概念，在导得单个钻孔每一个传热环节热阻的解析表达式的基础上，利用叠加原理处理复杂的多空几何布置和负荷随时间的变化。这种方法的物理概念清晰，计算精度优于或相当于数值模拟方法。同时，由于利用叠加原理并尽量采用解析解，计算速度大大加快，单个算例的计算时间可以是有限元或有限差分法的数百分之一或更少。因此，可以用来计算需要反复迭代的设计优化问题。当然，这样的设计计算通常也需要在计算机上完成。
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