地下换热器回填传热模拟分析高青李明江彦于鸣乔广简介：地下换热器与周围土壤间的空隙将严重影响地源热泵(GSHP)性能，因此，设计应用过程中必须重视换热器与周围土壤间的高效换热问题。本文利用传热模拟分析，研究地能利用中地下换热器缝隙回填对传热规律和特性的影响。探讨回填厚度、导热能力、及相对扩大井径等因素的影响。指出选择高导热系数的材料进行回填，将减少接触热阻，能有效提高系统的换热能力。研究表明，回填层厚度与传热能力增强基本呈线性递增关系。关键字：地源热泵，地下换热器，回填0前言地源热泵目前在国内外供热供冷工程中都得到了极大重视和发展，特别是欧美国家已经进入产业化发展阶段和逐步的大范围应用示范阶段。由于地源热泵初投资大，限制了其在大、中型HYPERLINK"http://g.tgnet.cn/GroupIndex.aspx?no=Effect_chart"\t"_blank"建筑工程中的应用。但是，随着人们环保和利用可再生能量资源意识的提高，人类将越来越重视开发新的能源形式和充分利用可再生能量资源。地能便是由地壳表层吸收太阳能辐射和地球内部变化而蓄积大量的再生能量。建筑及公用设施趋于使用更大的土壤源热泵系统，这需要多个井孔作为热交换场，钻孔费用占成本的很大一部分。由于土壤自身的换热能力是个很难确定的因素，HYPERLINK"http://job.tgnet.cn/Sub06.aspx"\t"_blank"设计者在确定整体井深时都趋于保守计算，以确保系统能正常运行，从而无形中加大了初投资。研究者们更加重视地下换热器的各种强化换热措施。其中减少接触热阻的换热井孔内缝隙回填成为增强传热的焦点问题。近年来，国外研究者对缝隙回填技术做了一些研究工作。ZhangQiang[1]等通过现场进行导热系数的测量，对不同回填物导热系数影响作了评估。测试各种井内回填物（膨润土、石灰石粉、灌浆水泥和膨润土砂混物）对传热影响。StevenW.Carlson[2]通过实验对膨润土进行了传热研究，实验指出回填后瞬态传热可增强10%左右，总体地下换热提高25%左右。FrankJ.Lenarduzzi[3]等人也结合加拿大工程实验应用，对回填作用进行了实验和数据分析。已有的研究表明缝隙回填的重要作用和影响，开展该领域的研究是增强地下传热的有效手段之一。不过由于地下实验工程难度较大，情况各异，不便于有效测量。为此，本文利用模拟计算对缝隙回填影响地下传热问题进行研究分析，探讨利用模拟仿真分析的解决方案和途径。近20年来，在地源热泵领域不断开展了模拟计算工作,模拟计算与分析一直作为一项有效的研究手段[4-9]，广泛应用于研究工作中。由于国内外开展系统的多热源模拟计算还较少，有待于开展基于群井大区域地能利用的相关研究工作。在缝隙回填影响地下传热研究中，一方面认识缝隙回填影响特性，另一方面进一步了解多热源群井区域系统土壤温度场的分布和交互作用，以及多元化因素关联关系。因此，该研究是一项具有重要应用价值和意义的工作，可以有效指导工程应用和实践。1计算模型1.1假设条件当仅考虑地下埋管换热对周围温度场的影响时，圆柱井模型是一种比线源模型更接近实际情况，有代表性的理论模型，而且计算简便，可以作为地下换热器周遍土壤传热模型的基础。本文在求解土壤温度场时，采用柱热源传热模型[8]。模拟计算中的基本初始温度选择为12℃，并以供热工况从地下吸热过程为例进行计算。计算过程中假设可以忽略实际过程中存在的热短路现象；考虑到土壤实际温度变化范围较窄，可以忽略土壤导热系数、比热、密度等物性参数随温度的变化；地质构造各向同性。在实际系统运行过程中由于地下存在地下水，在发生换热现象时可能会伴随有热湿迁移现象，在模拟计算过程也没有充分考虑这一因素。作为群井模式的趋势性探讨，文中以热流密度的形式进行计算加载。1.2计算参数选择计算中土壤物性参数人为设定，按平均中性土壤特性选取，导热系数2.5w/m℃，比热1500J/Kg℃，密度2500Kg/m3。由于土壤HYPERLINK"http://g.tgnet.cn/GroupIndex.aspx?no=gaoceng"\t"_blank"结构一般都具有较大的差别，不同深度的土壤差异性较大，在模拟计算中采用了综合平均数值的认定方式。实际应用中，由于受到地面尺寸的限制，一个建筑群能用于热泵地能应用的面积是受建筑环境条件的约束。通常以最小占地为前提。尽管大范围布井的井数较多，但由于存在对称性和影响共性，在模拟计算中只取代表性的区域为例。因此，选择可用空间为24m×24m的用地面积。根据通常建设HYPERLINK"http://g.tgnet.cn/GroupIndex.aspx?no=shigong"\t"_blank