引言　　地源热泵换热器的工作环境极其复杂,现有的换热器传热模式较为简单,导致相应的设计方法不尽完善,直接影响了地源热泵技术的推广应用。在地源热泵换热器的影响因素中,有些具有明显的随机性或不确定性本质,如地下岩土导热系数,随季节变化的地缘热(冷)采用量;有些因素具有非稳态性,如地下导热及埋管流体热交换。因此,采用现有的设计理论与方法可能使得地源热泵空调系统投资偏大,或者无法满足功能要求。本文对地源热泵换热器传热随机性进行分析,提出地源热泵换热器可靠性设计方法,并结合实例验证该方法的可行性。　　1地源热泵换热器现有传热模型与设计方法　　1·1地源热泵换热器现有传热模型　　一般说来,传热模型应能描述土壤热物性、密度、温湿度、管材、管径、管中流体物性、流速等诸多因素对传热的影响,但这将使数学求解十分困难,因此通常的研究都只能使用简化的传热模型。　　近年来国外有关的研究成果主要体现在以下方面:Mustafa等研究了水平地源热泵热性能评价[1], James研究了地源传热器的优化深度布置[2],Guo- hui等研究了雨水地源热泵测试与模拟[3],Louis等研究了地源孔井热交换器数值解法及改进有限线热源模型[4-5]。　　国内对地源换热器传热理论的研究起步较晚,主要成果有:曾和义等提出了U型埋管换热器轴向介质温度模型[6],任晓红等研究了U型埋管换热器三维数值模拟[7],刁乃仁等提出了地源热泵地热换热器优化设计方法[8],涂爱民等对地下U型换热器传热模拟进行了研究[9],吕丽霞等研究了垂直换热埋管周围非稳态温度场的数值模拟[10]。　　1·2地源热泵换热器现有的设计方法　　国际上,至今还没有一致公认的地源换热器设计计算方法。换热器传热模型的研究一直是地源热泵空调技术的难点,同时也是该项技术研究的核心和应用的基础。目前国外应用比较广泛的传热模型主要有三种:V·C·Mei模型、IGSHPA模型和NWWA模型。这些模型或者对不同的影响因素有所考虑,或者在计算方法上有所差异,但本质都是确定性模型与方法。　　目前,地源热泵换热器的设计都是以Kelvin的线热源理论为基础的,之后也出现了BNL的改进线热源理论、Mei的三维瞬态远边界传热模型。到20世纪90年代初,欧美各国提出了传热分析的数值模拟方法。具有代表性的有IGSHPA方法,这是北美确定地下埋管换热器尺寸的标准方法;NWWA方法也是一种常用的地下换热器计算方法。　　2地源热泵换热器传热随机影响因素分析　　(1)岩土热物性随机参数。　　地源热泵系统性能与当地岩土热物性密切相关,岩土的热物性具有明显的不确定性。由于岩土热物性和季节变化的随机性,当系统设计施工、运行之后,由此得到地源热分布呈现随机性。地源岩土的热物性参数确定是地源热泵设计的基础,由于岩土的热物性难以测定,且换热器换热性能影响因素复杂,岩土热物性的不确定性是地源热泵设计的难点。　　(2)影响埋管形式的随机因素。　　地源热泵埋管形式主要有水平式和垂直式两种,地下埋管系统环路方式有串联方式和并联方式。影响埋管形式的因素有:埋管材料、埋管间距、埋管内工作流体、同程式和异程式等。以往的设计基本没有考虑影响埋管形式的随机影响因素。然而,由于岩石、埋管材料热参数固有的随机性,以及施工过程的不确定性,必然引起埋管间距、埋管失效及埋管内工作流体的随机性。　　(3)地源岩土热平衡问题随机性。　　地源热泵系统在冬季和夏季运行时,系统吸、放热量一般是不平衡的,而且这种不平衡往往是随机产生的。如果还要考虑平衡的时间效应,则系统的平衡过程实际是一种随机过程。在这种情况下,应研究地源换热器的吸热和放热不平衡,多余的热量(或冷量)引起随机积累量。　　(4)其他因素。　　除上述随机因素之外,许多其他影响因素也时常呈现出随机性。地下水渗流、管群间的热干扰、垂直竖井的回填料、岩土冻结等,这些因素的不确定性不容忽视。　　上述分析表明,影响地源热泵系统正常运行的因素极其复杂多样,而许多因素本身具有显著的不确定性(主要是随机性)或依据现有的理论和技术无法获取较完整的数据。因此现阶段的设计理论与方法基本采用确定性分析方法,从而导致工程投资偏高或者不能获得满意的效能比。　　然而,要完全考虑这些随机因素是不可能的。合适的做法是:在可能的条件下应尽量考虑起主导作用的随机因素,采用随机传热分析与可靠性理论设计方法。　　3地源热泵换热器可靠性分析方法　　地源热泵换热器设计、安装、维护的目的是为了保证系统在设计寿命期安全可靠稳定运行。应用可靠性理论与方法,首先需对地源热泵换热器建立可靠性指标体系,如地源热泵地下换热量、地下热源(冷源)稳定性、地源热泵空调能效比等(按可靠性理论可将这些指标作为系统的“抗力”,可记为R),这些指标可以作为确定性指标,也可作为随机量指标。而设计的地源热泵换热器在运行中所处的实际工况,则是系统的真实反应(按可靠性理论可作为系统的“效应”,可记为S)。显然,系统的“效应”适合作为随机变量考虑,反映地源热泵换热器系统安全运行的状况,可以用系统的“效应”与系统的“抗力”之间的某种关系来确定。