土壤源热泵是一种利用地下土壤代替大气环境作为冷(热)源的高效节能热泵系统。采用垂直埋地换热器的土壤源热泵系统以其占地面积少、适用范围广、恒温效果好、换热效率高、维护费用低等众多优势,得到了越来越广泛的关注和应用。垂直埋地换热器作为土壤源热泵与大地热交换的唯一设备,其传热效果对热泵的性能系数起着非常重要的作用。随着对土壤源热泵埋地换热器研究的不断深入,要求建立更精确的传热模型,从而更准确地分析传热过程,找出提高埋地换热器换热效率的有效途径。为此,本文主要作了以下工作: 1.对现有几种传热模型的特点和适用条件进行了分析,特别是借用工程传热学中“集总参数法”判别准则的原理,对将钻孔看作“均匀圆柱热源”模型的适用条件进行了推导分析,提出了相应的准则判别式。 2.在对现有传热模型进行分析的基础上,以套管型埋地换热器为例,根据热平衡理论和热传导微分方程,建立了系统长期稳定运行下的埋地换热器准稳态传热数学模型。该模型考虑了套管的几何尺寸和套管内流体沿程的温度变化,土壤温度沿深度的变化以及钻孔内回填材料与钻孔外土壤物性的差别,对钻孔内、外的真实传热过程进行了描述。 3.利用本文建立的传热模型,运用数学解析法推出了套管内换热介质在(内进外出和外进内出)两种不同进、出口方式下的温度随埋深变化的函数表达式。 4.计算分析了影响套管式埋地换热器换热效能的诸多因素,并对换热器“热短路”的影响进行了计算分析,得出了一些有意义的结论。 5.提出了埋地换热器的一般设计流程。 由于系统多数情况下以稳定工况运行,加之土壤对地表热波的衰减性和延时性,本文提出的准稳态长期传热数学模型是合理的。模型描述了套管换热器各部分的传热过程,可以对影响换热效率的流量、管长、管径、管子和回填材料的导热系数、以及流体的流动方式等因素进行计算分析,计算量远小于数值方法,便于实现换热器的优化设计。因此,本文的研究具有一定的理论意义和实用价值。