地埋管地源热泵技术是目前空调领域中的前沿研究课题之一。地埋管地源热泵系统由于具有性能系数高、节能效果好、利用可再生能源、环保效果好、系统简单等优点,在欧美应用较为广泛,但在我国尚处于起步阶段,目前只有很少的地埋管地源热泵机组成功运行。我国地域辽阔,蕴藏着丰富的地表浅层(通常小于400ｍ)地热资源,因此有效利用浅层地热资源,以克服传统热泵空调技术中的局限与不足,是非常有意义和有实用价值的。目前地埋管地源热泵之所以没有像空气源热泵那样迅速发展,除了地埋管地源热泵的初投资高和对岩土体的要求外,也不排除至今仍缺少可靠的系统设计和模拟工具。Ｃａｎｅ和Ｆｏｒｇａｓ通过计算认为当前北美的地埋管地源热泵工程实例中地埋管换热器的管长都比实际偏大10%～30%[1],从而使得短期内回收资金更加不可能,不利于地埋管地源热泵的发展和推广。

      地埋管换热器与岩土体之间的传热是非稳态的、无限大区域内的传热,过程十分复杂,影响因素繁多。从现有文献来看,关于地下换热器的传热机理分析主要集中在理论研究和试应用阶段,岩土体温度场的研究基于热传导原理,对于考虑地下水运动的传热机理与换热机理等研究很少,而国内外文献表明地下水横向渗流对岩土体传热过程有极大的影响[25]。因此,为了了解设置地埋管换热器后对原有地下环境特性的影响,对热传导和地下水运动共同作用下的地埋管换热器传热机理进行研究十分必要。

      1地埋管换热器的传热模型

      影响地埋管地源热泵系统性能的因素较多,包括地下水流动、回填材料的性能、换热器周围发生相变的可能性以及沿管长岩土体物性的变化等等,如何完善地埋管换热器的传热模型,使其更好地模拟地埋管换热器的真实换热情况,确定最佳地埋管换热器的尺寸是发展和推广地埋管地源热泵的关键。

      地埋管系统目前尚处于研究阶段,也一直是地埋管地源热泵技术的难点,现有的地埋管地源热泵设计方法大都基于地埋管换热器的实验研究。地埋管换热器一般有三种形式,即竖直埋管、水平埋管和螺旋埋管。水平埋管通常浅层埋设,开发技术要求不高,初投资往往低于竖直埋管;但由于水平埋管换热能力往往低于竖直埋管,而且敷设面积大,开挖工程量大,有时也未必经济。根据埋设方式不同,竖直埋管通常有Ｕ型管和套管两种,国内外地埋管地源热泵工程常用Ｕ型埋管换热器,尽管套管式埋管换热器换热能力优于Ｕ型管换热器,但由于其初投资大,工程应用很少,仅用于浅层埋设方式。

      现有的地埋管换热器设计软件主要基于线热源理论、圆柱热源理论[68]、能量平衡理论[915]等建立控制方程。在设计地埋管换热器时要考虑长时间运行后地埋管换热器的取热、放热不平衡引起岩土体温度场温度的升高或降低,解析法由于能够简便、快捷地得到长时间的运行结果而备受青睐,但是如果考虑进出水管水温、水流速、各地质层以及回填土影响等因素时采用解析法求解就比较困难,因此,必须进行一些必要的简化,例如将Ｕ型管等价成一个当量单管以采用柱热源理论,或将其看成无限长的线热源以采用线热源理论等。对于长期运行而言,这些简化对结果影响不大,但是对于短时间运行则不然,此时采用数值解法比较有效。因此也有一些模型综合考虑了数值和解析两种方法。