以导热塑料管作为地下换热器的换热能力分析

0·引言
地源热泵系统作为一种利用可再生能源的暖通空调新技术，是国际上通用的高效节能技术，在我国也有十几年的发展历史。地源热泵系统分为地埋管、地下水、地表水地源热泵系统等几种形式。地埋管地源热泵系统同利用地下水、地表水为低位热源的水源热泵相比，具有使用范围广，不受地下水、地表水资源限制等优势，应用前景更为广泛。
地埋管地源热泵系统又分为水平地埋管和竖直地埋管。水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资相对较低，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
根据埋管方式不同，垂直埋管大致有3种形式：1）U型管；2）套管型；3）单管型。套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失。单管型的使用范围受水文地质条件的限制。U型管应用最多，管径一般在?50mm以下，埋管越深，换热性能越好，最深的U型管埋深已达180m[1，2]。
1·地埋管管材
一旦将换热器埋入地下后，一般不会进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应优先考虑使用价格较低的管材。所以，土壤源热泵系统中一般采用塑料管材。对于垂直式换热器，我们对所用管材有如下要求：
（1）管壁薄、热传导率高；
（2）抗冲击、耐压力、耐腐蚀、寿命长；
（3）连接方式简单、施工方便。
目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔而形成更牢固的形状，可以保证使用50a以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。

源牌导热塑料管运用熔融插层技术—也就是说，高聚物在熔融状态下直接插层于层状结构的导热助剂中，使其均匀分散在聚合物中，形成导热网络。已成功应用于国内多项中央空调系统工程，其导热性能是普通塑料的3～5倍，其性能参数见表2、表3。可见如果将其作为地埋管换热器相对普通塑料具有一定的优势。

2·导热塑料地埋管换热器换热能力分析
2.1建立模型
采用线热源理论及热阻网络分析方法，建立地下岩土垂直管换热器传热理论模型。模型简化假定：
（1）地层是初始温度均匀的无限大介质，其热物性均匀且不随温度变化；
（2）忽略深度方向的传热，只考虑径向的一维传热；
（3）忽略钻孔的几何尺度，把它近似为轴心上的线热源。
垂直埋管换热器对应4个热阻为：R（1对流换热）、R（2换热管管壁导热）、R（3回填物内部导热）、R（4大地热阻）[3，4]。
2.2基础数据

（5）填料：混凝土与细河沙，导热系数λ＝2.2 W/（m·℃）；