地下水渗流对土壤耦合热泵换热器传热的影响

0 引言
地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天 把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源，可以取代锅炉或市政管网等传统的供暖 方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖;夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。地源热泵是一种先进的技术，它高效、 节能、环保，有利于可持续发展，在欧美应用较为 广泛，但在我国尚处于起步阶段。
地源热泵（ground-source heat pumps,GSHP）系 统包括三种不同的系统[ 1]：以利用土壤作为冷热源 的土壤源热泵，为地下耦合热泵系统 （ground-coupled heat pump systems）或者叫地下热 交换器热泵系统（ground-heat exchanger）；以利用 地下水为冷热源的地下水热泵系统（groundwaterheat pumps）；以利用地表水为冷热源的地表水热泵 系统（surface water heat pumps）。在地源热泵的三 种不同的系统形式中，由于采用地下埋管换热器， 使得土壤源热泵的技术难度最大，设计和施工困 难，所以一直是地源热泵技术的难点和核心所在。 地源热泵地下传热模型理论基础有三种[ 2-3]，如 线源理论（Kelvin 1882，Ingersoll 1954）、圆柱源理 论(Carslaw&Jaeger1946)以及其他数学模型 (Mei&Emerson 1985，Muraya,et al.1996， Rottmayer，et al.1997)等，国内在地埋管换热器传 热理论方面已开展了不少工作[ 4-7]，但相对实验研究 而言明显滞后。然而，岩土体是固、液、气相混合 的多孔介质，对于地下竖直埋管换热器而言，由于 穿越各种不同性质的地质层，各地质层的性能都会 极大影响其传热过程，尤其是盘管管段大部分位于 地下水位以下的岩土体饱和区内，地下水流动的影 响尤为重要，对于孔隙率大、渗透系数较高的含水 层，作用更为明显，现有的国内外资料也已经证实 了这一点。因此，考虑不同的地质层、地下水流动 等因素的影响是很必要的。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。因此，有必要对影响地下 热交换器设计的地下水流动进行理论分析。
1.地下水流动对地埋管换热器的影响
任何地区在一定的地下深度都存在一个含水 层，地下水渗透和流动无处不在。在钻井现场设计 过程中，许多复杂情况都是由于地下水的流动而导 致的，地下水的流动不仅影响到岩土热传导率测定 的准确性，而且影响到整个换热器的长期性能。当 然，地下水流量大时会因为热对流而有利于系统换 热[ 8-9]，此时如果在设计中考虑地下水流动影响，会 减少了热交换器的设计长度。为了方便实际工程中 的设计，有必要引入一个判别条件来判定什么时候 该考虑地下水流动对换热器设计的影响，国外普遍 引入Pe数 [10]&