地源热泵地埋管随机传热与可靠性理论分析

地源热泵地埋管随机传热与可靠性理论分析

李慧琳

李慧琳

深圳市太科检测有限公司广东深圳518053

摘要：随着地源热泵技术的快速发展，其空调技术在我国的应用也越来越广泛。地源热泵是一项节能环保且经济效益较高的技术，通过地源热泵技术，相关人员可提取地热资源，从而进行制冷或采暖，这项技术已经在很多发达国家进入了实用阶段。地埋管换热器的换热功能对地源热泵空调系统的运行效果有着关键的影响，由于我国的地源热泵技术应用处于初始阶段，在地埋管的传热设计还存着一些问题。本文主要先对地源热泵及其地埋管系统的随机传热特征等进行简述，进而分析其可靠性的指标体系，研究可靠度的计算方法。

关键词：地源热泵；地埋管；随机传热；可靠性理论

一、前言

现阶段，地源热泵技术在发达国家已经进入了实用阶段，我国还处于实用的开始阶段。长期以来，由于地源热泵工程人员在设计过程中忽略了岩土的固有随机组成和性质结构，只是通过一些现有的确定性理论来解释相应的传热现象，并将其作为设计依据，从而导致地源热泵的系统换热功能不足等问题的发生。随着地源热泵技术的发展，现有的确定性传热理论及设计方法已经无法满足当前地源热泵地下埋管系统的理论分析和设计要求，发展新的可靠性理论和研究方法来提高地下换热器设计水平，不仅是发展地源热泵技术的关键，也是提高地源热泵技术节能环保性的需要。近些年来，管昌生教授已经将一些相关的可靠性理论应用到了地源热泵地埋管系统中，并且提出了地源热泵地埋管工程设计的概念，本文主要在此基础上对地源热泵地埋管的随即传热及可靠性理论进行分析。

二、关于地源热泵

1.地源热泵的概念及组成

地源热泵最早由瑞士专家于1912年提出，是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源，从而实现由低品位热能到高品位热能的转移。地源热泵供暖空调系统主要由室外地能换热系统、地源热泵机组、室内采暖空调末端系统以及控制系统等四个部分组成。

2.地源热泵的工作原理

地源热泵是通过利用地下水、土壤中的水或是地表水与地能进行冷热交换，从而形成地源热泵的冷热源，在冬季时，将地能中的热量取出来供给室内采暖，即为热源；在夏季时，将室内的热量取出来并释放到地下水、土壤或地表水中，从而给室内降温，即为冷源。

3.地源热泵技术的特点

地源热泵技术主要有以下几个特点：（1）地源热泵通过利用地表浅层地热资源作为冷热源，从而实现能量的相互转换，因此地源热泵技术是一项可再生能源利用技术；（2）地源热泵技术是一项经济有效的节能技术。研究发现，每消耗1kwh的能量，用户可享受到4kwh及以上的热量或是冷量；（3）地源热泵技术是一项环保技术。地源热泵装置在运行时零污染，环境效益显著；（4）地源热泵系统既能供暖、空调，而且还可供生活热水；其不仅能应用于宾馆、商场等建筑，而且还可用于住宅的采暖、空调，因此地源热泵不但能一机多用，而且应用范围广；（5）地源热泵空调系统机械运动部件少，安装位置安全，维护费用低。

三、地源热泵地埋管随机传热的影响因素

地源热泵地埋管随机传热的影响因素包括地源热泵的设计、施工、运行以及管理等方面，主要的影响因素有以下几个：

1、地源热泵随机负荷

地源热泵的随机负荷主要包括以下几个方面：（1）温度变化：季节性变化导致的温度变化对地源热泵空调系统冷热源的影响较大；（2）建筑物的围护结构：建筑物的围护结构对负荷有着很明显的影响。一般来说，不同的保温材料产生的节能效果也不同，由围护结构材料不同导致地源热泵地埋管换热性能的不同是耗能分析中的关键性指标之一；（3）建筑物的空间结构：建筑物的空间结构对负荷也有着重要的影响，在进行地埋管设计时也是不可缺少的考虑因素。建筑的构造形式、设计风格等随机性都会对空调系统产生不同程度的影响；（4）建筑物内热源变化对负荷的影响：内热源包括人类活动、各种电子器件、机械设备等，这些因素的随机性也会对空调设计产生一定的影响。

2、岩土介质随机热物性

岩土介质的热物性与地源热泵系统的性能有着密切的关系，而且决定着地埋管换热器的布局。岩土介质的热物性包括岩土的热能平衡、热工性能、岩土的传热及传湿等，这些都具有明显的随机性。

3、影响埋管形式的随机因素

地源热泵有水平式和垂直式两种埋管形式，而埋管材料、间距、管内工作流体等都会影响埋管的形式。一般来说，地源热泵的地埋管结构的几何尺寸差异较小，但是在一些结构的敏感部位也会产生显著的影响。

4、初始条件和边界条件的随机性

边界条件对温度场、渗流场以及应力场的计算有着重要的影响，如地埋管表面的温度等。初始条件对于非稳态传热问题也有着较大的影响，如岩土材料的初始温度、埋管进出口温度和气温等。

5、设计计算模型的不确定性

在实际的岩土工程中，工程材料对设计计算模型也有一定的影响。一般情况下，设计人员会根据室内试验、工程地质资料以及工程经验等来初步确定材料模型的类型。现阶段，科研人员已经研究出了很多确定性的设计准则和计算模型，而且不同的计算模型其反映的侧重点也各不相同。在运用计算模型计算时，往往会出现不可避免的误差，即为设计计算模型的不确定性。

6、地源热泵的其他随机影响因素

地源热泵的其他随机影响包括：埋管进水温度变化、渗流对盘管换热量及出水温度的影响、管长、埋管深度、岩土冻结对地埋管换热的影响等。

四、地源热泵地埋管可靠性理论分析

1、地源热泵地埋管可靠性基本概念

地源热泵地埋管可靠性是指在规定的时间及规定的条件下，地源热泵地埋管系统不仅满足耗能要求，也满足经济性要求的概率。地埋管换热器传热系统的可靠性则是指传热系统在规定条件下和系统设计寿命时间内完成预定功能的能力。一般来说，传热系统设计的寿命时间越长，可靠性越低。

2、地源热泵地埋管可靠性指标

地源热泵地埋管可靠性指标的确定主要是通过分析建筑物的耗能、地埋管的施工工艺、地源热泵的使用工况以及岩土介质的热物性等，从而计算出建筑物的耗能、系统设计的各项参数等。

3、地源热泵地埋管换热器功能及负荷分析

3.1地源热泵地埋管换热器功能分析

地源热泵地埋管系统的运行状态与系统功能的发挥有着重要的联系。当系统出现的某种状态不能满足设计规定的某项功能要求时，这种状态就称为该功能的极限状态。在地埋管传热系统中，其极限状态可分为系统换热能力的极限状态、系统正常使用的极限状态以及系统环境因素影响下的极限状态三种。系统传热能力的极限状态是指系统达到最大负荷能力或不适于继续负荷满足功能要求时的装态，系统正常使用的极限状态是指系统功能达到正常使用或耐久性能的某项规定限值时的状态，而系统环境因素影响下的极限状态则是指系统在受环境因素影响条件下，其功能负荷的极限状态。在分析这些状态的可靠性时，主要是通过功能函数进行描述。

3.2地源热泵地埋管换热器负荷分析

地下换热器设计的基础就是对地源热泵地埋管进行能耗分析。建筑物空调负荷的计算是一个复杂的过程，它不仅会受到室外环境的影响，而且还会受到建筑围护结构的影响。空调区的热量是由外窗进入的太阳辐射量，人体、照明及机械设备等内部热源的散热量、以及围护结构传入的热量等组成。其中，围护结构传入的热量是通过下列公式计算得来---Q=kF?T（Q为传热量，k为传热系数，?T为传热温差）。

4、地源热泵地埋管换热器系统可靠性设计方法

在进行地源热泵地埋管换热器的可靠性分析时，应先确定系统随机变量的试验资料，然后用概率统计方法分析并得到相应的统计量及分布规律。地源热泵地埋管换热器的可靠性设计应遵循以下步骤进行：（1）确定随机参数特征：如岩土参数及其热物性、地源温度场分布等；（2）计算各个随机参数的数字特征或概率分布；（3）建立地源热泵换热器的可靠性指标体系；（4）建立功能状态方程；（5）计算系统可靠度。

结束语

地埋管传热的可靠性设计对地源热泵系统性能有着重要的影响，在设计时，设计人员应在可靠性指标和经济性指标的前提下，根据建筑的结构、地埋管与岩土的随即传热性能、耗能指标，并结合地埋管的尺寸、回填料以及环境条件等对地埋管换热器进行设计及计算。地源热泵技术是一项节能环保且具有经济效益的技术，而地埋管传热系统对其有着重要的影响，相关人员应积极做好地埋管传热系统的设计，从而更好的发挥出地源热泵系统的功能，并确保系统的正常运行。

参考文献：

[1]韩春福，丁旭.土壤源热泵埋管换热器形式及传热模型的分析[J].沈阳大学学报.2009（06）

[2]管昌生，刘卓栋.地源热泵换热器随机传热及可靠性设计方法探讨[J].建材世界.2009（04）

[3]郑红旗，祝合虎，陈九法.地埋管回填材料与地源热泵地下温度场的测试分析[J].流体机械.2009（03）