（制冷及低温工程专业论文）基于地源热泵变工况下制冷机组性能仿真研究.pdf

摘要 摘要 近年来对制冷系统与设备的仿真硎。究“i 断地走向深入，国内外的研究者针对各种形式的制冷系统 与设备，建立了各种形式的仿真模型，进行仿真研究与计算。另一方而，在节能与环保已成为关系到 国家是否可持续发展的关键问题情况下，地源热泵系统【1 f 于其高教、节能、环保的特点，越来越受到人 们的重视j _ i ：得到越来越广泛的应用。与其他热泵系统样，地源热泵的运行特性受到室内空气条件的 影响，此外，冈地源热泵的室外热源取自地下相剥于其他热泉系统，它受到土壤条件与地下换热器 的结构形式的影响， 本文利用仿真技术，针对地源热泵系统中的各个部件建立了仿真模型，进行仿真计算，对影响各 部件运行性能的各参数进行了分析和研究。见外，在建立部件模型的基础上，建立了地源热泵系统的 整体模型，并进行仿真计算，分析研究了变工况条件下，不同运行参数对地源热泵系统运行性能的影 响。在此基础上，埘提高地源热泵系统运行经济性提出建议。 本文上耍完成了以下一些内容： 1 ) 建立了地源热泵系统各部件的数学模型，并利用各部件的仿真结果，分析部件运行参数变化对部 件运行性能的影响，为以历研究分析系统运行参数对系统性能影响的研究打下基础。 2 ) 将前而所建立的地源热泵各部件数学模型进行有机的结合，建起地源热泵的系统仿真模型。 3 ) 给出了地源热泵系统仿真模型的仿真结果，分析研究了变：况下地源热泵系统运行过程中不同运 行参数变化对系统运行性能的影响。 4 ) 在对地源热泵系统仿真结果分析旧丛础l | i ，给出了提高地源热泵系统运行性能司以采取的方法， 以指导在地源热泵实验和t 程实际中对运行参数的调整，以使地源热泵系统的运行性能最佧。 关键词：地源热泵建模仿真部件模型系统模型性能分析 a b s t r a c t s i m u l a t i o na n dr e s e a r c ho nt h e p e r f o r m a n c eo fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m pa t v a r i n gc o n d i t i o n s a b s t r a c t g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ( g s h p ) i sw i d e l yu s e dr e c e n t l yd u et oi t sm e r i t ss u c ha s e f f e c t i v e n e s s 。c o m f o r t a b l i t y 1 nc o n t r a s tt oa i rs o u r c eh e a tp u m p ，t h er e s e a r c ha b o u ld i f f e r e n l p a r a m e t e r si n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo fg s h pi sp o o r t h ep r o b l e mt ob es o l v e di sh o wt o a d j u s tl h e s ep a r a m e t e r sf s u c ha st h ec o n d u c t i v ec o e f f i c i e n to f b a c k f i l lm a t e r i a l ，t h ed i s t a n c e b e t w e e nu - t u b e si n l e ta n do u t l e tt u b e t h ei n l e tp a r a m e t e ro fa i re t c ) t oe n h a n c ei h ep e r f o r m a n c eo f g s h p j nl h i sd i s s e r t a t i o n 1 h eg s h pp a r t s s i m u l a t i o nm o d e li sf o u n d e d b a s e do nt h es i m u l a t i o n r e s u l t so fg s h pp a r t s t h ed i f f e r e n tp ar a m e t e r s i n f l u e n c e0 n 什i eg s h pd a r f s p e r f o r m a n c ei s s t u d i e dl na d d i t i o nt h eg s h ps y s t e mm o d e li sf o u n d e d b a s e d0 nf h eg s h ps y s t e ms i m u l a t i o n r e s u l t ，d i f f e r e n tp a r a m e t er s le f f e c to nt h eg s h ps y s t e mp e r f o r m a n c ea tv a r i n gc o n d i t i o n si ss t u d i e d a n da n a l y s i s e ds o m em e t h o d sl oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fg s h pa n dg u i d el h ee x p e r i m e n t s t u d ya n de n g i n e e r i n ga p p l i a n c ea r eg i v e ni nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w e d ： 1 e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a im o d e lo fg s h pp a r t sb a s e do nf h e s ep a r f s sm o d e ls i m u l a t i o n r e s u l t t h er u np a r a m e t e r s i n f l u e n c eo nt h ep a r tp e r f o r m a n c ei ss t u d i e d 2 c o m b i n ef h eg s h po a n s m o d e l ；f h eg s h ps y s t e mm o d e | i sf o u n d e d 3 b a s e do nf h es i m u l a t i o nr e s u l t so fg s h ps y s t e m ，s t u d yd i f f e r e n tp a r a m e t e r s i n f l u e n c eo n t h ep e r f o r m a n c eo fg s h pa tv ar i n gc o n d i t i o n s 4 b a s e do nt h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，s t u d yt h ep o s s i b l em e t h o d st oe n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo fg s h ps y s t e m k e yw o r d s ：g s h p s i m u l a t i o n p a r tm o d e l ，s y s t e mm o d e l ，a n a l y s i so fs y s t e mp e r f o r m a n c e 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及选题意义 当前，在国家日益重视资源与环境的有效利用，以及行业可持续发展的大背景下，在制冷行业， 传统的空气源热泵空调系统由于其效率低下、噪音大和夏季热污染、冬季冷污染等原因使得空气源热 泵空调系统日益不能满足人们的生活需要以及国家的可持续发展要求；空气源热泵空调系统存在着建筑 物所需冷负荷与所要求空气温度不一致的致命弱点( 即冬季热负荷大时，室外空气温度低；夏季冷负荷大时， 室外空气温度高) 。根据热力学原理可知：降低冷凝温度或者提高蒸发温度可提高热泵机组的制热、制冷系 数，因此，若能寻找到一种更理想的热源形式来取代或部分取代空气源热泵，则不但可提高效率，而且可降 低或消除空气源热泵空调系统给周围环境带来的“冷热污染”和噪音污染。土壤便是一种理想的热源形式， 地源热泵( g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ) 因其运行的稳定、节能性及环保性而被称之为2 l 世纪最有效的采暖 空调装置。 地源热泵技术是一种利用地下浅层地热资源( 也称地能，包括地下水、土壤和地表水等) 的既可以供 热又可以制冷的高效节能的空调技术。地源热泵通过输入少量的高品位能源( 如电能) ，实现低位热能向高 位热能的转移。由于全年地温波动小，冬暖夏凉，因此地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷 源。通常地源热泵每消耗l k w 的能量，用户可以得到4 k w 以上的热量或冷量。最近5 年来，地源热泵空谓系 统在国外得到了较快的发展；国内也有这方面的工程实例，例如北京地质勘探院办公楼、济南舜湖社区别墅 等等。尽管如此，国内在这方面所开展的研究工作目前还处于起步阶段，设计研究人员还缺乏有关地源热泵 的性能和节能潜力的一些基础性的研究数据。 地源热泵的主要技术特点包括： 地下土壤温度一年四季扣对稳定( 约为1 2 - 2 0 c ) ，冬季比外界环境空气温度高，夏季比环 境温度低，是很好的热泵热源和空调冷源。上壤的这种温度特性使得地源热泵比传统卒调的 运行效率高出4 0 一6 0 ：同时，土壤温度较恒定的特性也使得热泵机组运行更稳定、可靠， 整个系统得维护费用也较锅炉一制冷机系统大大减小，从而保证了系统得高效性和经济性。 上壤的蓄能特性能够实现冬、夏能量的互补性。 地源热泵具有环保无污染的优点。于地源热泉利用地下土壤作为冷热源，既没有燃烧、排 烟，也没有空气源热泵的噪音和热污染，是一种绿色空调装置。 地源热泵机组既可以供暖，也可以空调，同时还能提供生活用热水机多用，一套系统可 以替代原有的供热锅炉、制冷空调机组以及生活热水加热装置三套系统，省去了燃气、煤及 锅炉的使用；机组紧凑，节省空间，减小一次性投资；机组寿命长平均可运行2 0 年以上。 地源热泵的主要缺点包括：初投资过大，施t 刚难；埋地换热器受土壤物性的影响较大，连 续运行时热泵的冷凝温度或者蒸发温度受土壤温度的影响而发生波动；上壤导热系数小而导 致埋地换热器的面积较大等。但是，随着研究的深入，这些缺点会逐渐被克服，并被广大用 户所接受。 由以上的对地源热泵的技术特点的揣述我们可以看到：地源热泵具有很多空气源热泵所不具有的 优点，是一种非常有前途的、值得推广的空调热泵系统。尤其是在今天人们更加重视环境保护，提倡 节能意识的环境下，提高埘地源热泵的研究具有更为积极地意义。 1 2 研究现状 地源热泵在国外起步较早，这要追溯到1 9 1 2 年瑞士的一个专利，但是直道二战结束后才在欧洲与北美 兴起对其大规模的研究与开发，这一阶段上要是对地源热泵进行一系列基础性的实验研究，包括地源热泵运 行的实验研究，埋地鼎管的实验研究，埋地盘管的数学模型的建立，同时也对土壤的热流理论方面作过研究， 如开尔文线源理论；然后，由于地源热泵的高投资及当时廉价的能源资源，这一阶段的研究到5 0 年代- p 期 便基本停止了。直到1 9 7 3 年“能源危机”的出现，美国和欧洲又展开了对地源热泵的实验与理论研究，可 以说，地源热泵的绝大部分研究工作均是在这一阶段完成的。进入二十世纪九十年代之后，对地源热泉实验 和应用研究得到迅速普及，在中欧和北欧地区，地源热泵已成为家用热泵的辛要热源；在美国，地源热泵因 其节能性、舒适性正在大力推广；在加拿大，从1 9 9 0 年到1 9 9 6 年家用的地源热泉以每年2 0 的递增销量仰 处于各种热泵系统的首位。 我国对地源热泵的探索研究是从8 0 年代末开始的，但足大规模的研究工作只是在近儿年才开始的。据 文献资料报道，国内最早的对地源热泵的研究开始于1 9 8 9 年。当时，青岛建筑工程学院同瑞典阜家工学院 合作建立了国内第一个土壤源热泵实验窜，在于立强等人的指导下，先后进行了水平平铺埋管地源热泵供冷 供热的性能及垂直u 型埋管地源热泵的供热供j 令生能的实验研究；天津商学院制冷研究所的高祖锟等人与 1 9 8 9 - 1 9 9 3 年分别对塑料管和铜管的水平蛇管型、螺旋管型地源热泵进行了冬季供暖和夏季空调的性能研究； 华中科技大学从9 0 年代开始，在国家自然科学基金的资助下先后进行了水平单管换热的研究、地下浅层井 水用于供暖空调的研究；1 9 9 8 年，湖南大学开始对多层水平埋管换热特性进行了研究；同济大学的张 旭等人从1 9 9 9 年开始，在联合技术公司( u t c ) 的资助f 进行了土壤- 太阳能复合热源的研究，主要 针对长江中下游地区含水率较高的土壤的蓄放热特性进行测试；重庆建筑大学的刘宪英等人从1 9 9 9 年开始，在国家自然科学基金的资助下对浅层埋竖直管换热器的采暖、供热特性进行了研究。此外， 清华大学、天津大学、山东建筑工程学院及中科院，。州能源研究所等高校核科研单位也对地源热泉进 行过研究，并取得了一定的成果。这些研究大多都是实验研究，给出了一些很有研究意义和参考价值 的实验研究数据并给出了一些模型，但对地源热泵空调系统的建模仿真研究还缺乏相关的建模理论和 研究方法。 1 3 研究的主要内容 整个地源热泵的研究是一项复杂的工作，需要理论和实验相结合。在对地源热泵系统的研究中， 需要考虑的问题很多，例如地下埋管形式、回填材料的选取、系统各部件的优化匹配等，每一个环节 都有许多需要研究的地方。本文为了研究地源热泵空调系统地下换热部分对系统性能的影响，从仿真 的角度出发，利用计算机技术建立了地源热泵空调系统各个部件的仿真模型：地下换热模型、管壳式 水冷冷凝器模型、毛细管模型、蒸发器模型以及压缩机模型，给出了各个部件模型具体的建模方法。 利用已经建立的地源热泵空调系统部件仿真模型，论文中分析研究了各部件运行参数对地源热泵空调 系统部件运行性能的影响，包括： 1u 型地下埋管进水管与出水管问距变化对u 型地f 埋管出lj 水温的影响，j i ：分析了产生该结果 的原区| 。 2 u 型地下埋管中水的流量变化对出口水温的影响。 3 冷却水流量变化对管壳式水冷冷凝器换热性能的影响及分析。 4 冷却水水温变化对管壳式水冷冷凝器换热性能的影响及分析。 5 冷凝温度变化对管壳式水冷冷凝器换热性能的影响及分析。 6 空气流量变化对蒸发器换热性能的影响及分析。 7 空气入口温度变化对蒸发器换热性能的影响及分析。 8 蒸发温度变化对蒸发器换热性能的影响及分析。 另外，在建立了地源热泵空调系统各个部件的仿真模型的基础上，建立了地源热泵空调系统的仿 真模型。利用该地源热采宁调系统的仿真模型，论文中分析了地源热泵空调系统运行过程中各运行参 数变化地源热泵空调系统性能的影响，包括： 1 空气的入口温度变化对地源热泉空调系统性能的影响及分析。 2 空气的流量变化对地源热泵空调系统性能的影响及分析。 3 蒸发温度变化对地源热泵空调系统性能的影响及分析。 4 地下u 型埋管间距变化对地源热泵空调系统性能的影响及分析。 5 地下钻孔内回填材料导热系数变化对地源热泵空调系统性能的影响及分析。 6 地下钻孔周围岩土导热系数变化对地源热泵空调系统性能的影响及分析。 本文建立了地源热泵系统的稳态数学模型，以此作为研究地源热泵系统运行特性的平台。利用所 建立的数学模型，通过仿真的方法，研究地源热采系统在室内温度、空气流量、地下埋管间距、回填 利料导热系数改变时，系统的各热力参数变化规律，并进行了具体的分析，为深入掌握研究地源热泵 的运行特性、分析不同运行参数对地源热采系统的影响打下坚实的基础。利用所建的地源热泵仿真模 型，分析不同参数下地源热泵性能变化得特点，实现地源热泵运行性能的优化设计。 2 第二章地源热泵地下换热模型 第2 章地源热泵地下换热模型 2 1 引言 地源热泵技术是一种利用地下浅层地热资源( 也称地能，包括地下水，土壤或地表水等) 的既可 供热又可以制冷的高效节能的空调技术。地源热泵通过输入少量的高品位能源( 如电能) 。实现热能由 低温热源向高温热源的转移。由于全年地温波动小，冬暖夏凉。其季节性性能系数有着恒温热源热泵 的特性，季节性平均性能系数较高。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬 季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能 中去。通常地源热采消耗l k w 的能量，用户可以得到4 k w 以上的热量或冷量。 地源热泵空调系统主要分为3 部分：室外地能换热系统、水源热泵机组和室内空调末端系统。按 照室外换热方式不同将地源热泵系统分为3 类： 1 、土壤埋盘管系统 2 、地下水系统 3 、地表水系统 地源热泵技术由于具有节能以及环保的特点，目前在国外得到了广泛的应用。近十儿年来，尤其 是近5 年来，地源热泵空调系统在北美如：美国、加拿大以及中北欧如：瑞上、瑞典等国家取得了较 快的发展。国内目前也有关于地源热泵的工程实例，例如北京地质勘探院办公楼、北京嘉和丽园、济 南舜湖社区别墅等等。尽管如此，国内在这方而所开展的研究丁作目前还处于起步阶段，设计研究人 员还缺乏有关地源热泵的性能和节能潜力的一些基础性数据。 室内盘管 膨 胀 阀 图2 1 、垂直埠管式地源热泵系统布置示意图 地热换热器有两种基本的配置形式。一是在浅层土地中水平埋管，它的缺点是占地面积大，应用 受到限制。另一种是在地层中垂直钻孔( 见图2 1 ) ，孔的深度通常为4 0 1 5 0 m ，孔径为0 0 7 5 0 1 l m 。 在钻孔中插入u 型塑料管，并用灌井材料填实。载热流体从一侧管子流到钻孔的底部，再从另一侧流 回。本论文中地源热泵采用垂直埋管式热交换器，管子选用p v c 圆管，d 4 0 m m x4 m m ，土甲深为5 3 m 全环路总长为1 1 0 m ，散热而积1 】0 5 m 。 地源热泵可以兼顾建筑物在不同季节的供热和供冷需要，所以地热换热器的负荷可以是i 致热也可 以是放热。不过这两种传热过程的数学模型是棚同的，在以下的训论中n j - 以理解为热负荷q 是对地层 的放热，则地层中的温升址正值：如果足从地层中吸热，则两者均变为负值。地热换热器的换热过程 不是两种流体之间的换热，而是埋管中的流体与固体( 地层) 之问的换热。这种换热过程是非稳态的， 涉及的时间跨度长，条件也很复杂。为了建立地热换热器中换热的理论模型，必须以基本的简单模型 为基础，然后逐步引进各种复杂的因素。这样研究单个垂直钻孔的传热就足个基本的问题。这个问 题又分为两部分，一是钻孔内部的换热；二是钻孔壁面与外部地层之间的换热。前者由于其几何尺、j 相对很小，其中的换热过程通常可近似按稳态传热处理”j 。 典型的地源热泵系统主要由压缩机、水制冷剂热交换器、水泵、制冷剂一水( 或者制冷剂一空气) 热交换器、节流装置和电气控制设备等部件组成。地源热泵系统的类型多样性使其组成部分不尽相同， 但是基本的构件是共同的，如压缩机、地下盘管、水泵、热交换器等等。传统的地源热泵系统采用较 多的是u 型竖埋管换热器，根据埋管深度分为浅层( 】0 0 m ) 三类。 而且地下蓄能系统得埋管较灵活，口j 布置在草坪、花园、农田下而或湖泊、水池内，也可以布置在上 壤、岩石或者地下水层内；也可在混凝土桩内埋管”j 。 3 东南大学硕士学位论文 热泵的效率与建筑物室内和室外环境的温差有关，温差越小，热泵的效率越高。采用地源热泵系 统后，由于土壤的温度一年四季相对比较恒定，若设计合理，地源热泵可以比空气源热泵具有更高的 效率和更好的可靠性。此外，由于水的热容量要远远大于空气的热容量，水与制冷剂的换热效果要远 好于空气与制冷剂的换热效果。以土壤作为低位热源的土壤源热泵系统的造价与地下蓄能系统有关： 若埋管深，地下土壤的温度以系统的运行性能较稳定，钻孔占地面积较小，但是会带来钻孔，钻孔设 各的费用和承高压的p v c 管的费用增加。 2 2 垂直埋管地下换热温度场的物理模型和数学模型 2 2 1 物理模型 严格地说，垂直埋管周围的实际土壤温度分布十分复杂，它与土壤的类型、热力系数、土壤含水量 的多少、埋管形式及布置方式、埋管与周围土壤接触的紧密程度、热泵运行时间、冷热负荷等因素有 关。但是，考虑到地下埋管与土壤的换热性能_ = = = 要取决于埋管管壁和土壤的导热系数、土壤温度随运 行时间的变化两个因素，所以这两者的影响不可忽略。为便于理论分析求解作以下假设”j ： 1 ) 埋管与土壤完好接触，忽略接触热阻 2 ) 土壤按深度分层，每层土壤的导热系数为常数 3 ) 假设在地下u 型管的末端不存在垂直向下的热流。 根据钻井时采得的土壤试样”1 ，可将地下土壤分为两层：回填土和花岗岩。各层土壤的物性参数见 表2 1 。 第一层( 同填土)第二层( 花岗岩) 厚度( m ) o 22 5 3 导热系数( w m ) 0 + 9 3 63 4 9 比热( k j k g ) 1 1 7o 9 2 密度( m ) 1 62 4 表2 - 1 上壤的物性参数表 2 2 2 数学模型 垂直埋管地源热泵的地下换热部分是符内流体( 水或防冻液) 与周围固体岩土之问的换热，对于 工程上常见的埋管换热器，钻孔内通常埋有两根管子，传热介质在其中的流动方向十口反，进。出构 成闭式循环回路。早期的模型”1 把两支管简化为一个当量的单管，从而进一步把钻孔内的导热简化为 一维导热，这样的模型缺乏理沦依据而显得过于粗糙，当然无法讨论两支管的位置及其十互问的传热 对整个换热过程的影响。文献”1 提出了二维模型( 如图2 - 2 和图2 - 3 所示) ：如果两根管子单位长度n 勺 热流分别为q 。和q 2 ( w m ) ，根据线性迭加原理，所讨论的稳态温度场应该是这两个热流作用产牛的 过余温度场的和。如果取钻i l 壁的平均温度为过余温度的零点，则有”j ： 0 1 一瓦= r l q l + r 1 2 q 2 丁r 2 一瓦= r 2 q l + r 2 2 q 2 ( 2 1 ) ( 2 - 1 ) 式中： r r ，一两根管子与钻孔壁之问的热阻； r ，两根管子之间的热阻； 考虑剑在本例中u 型埋管结构e _ 黾刘称的，因此柯r l l = r 2 2 。根据文献”1 ，n x 。，r 。：的求解公式 如下： = 去ih 抖州n 专肛 = 去阿斟叫南 弦z ， ( 2 2 ) 式中： 盯：! 型 k b + k 4 第二章地源热泵地下换热模型 驴去m 卧赤 r 。一流体至管子外壁的传热热阻( k m w ) ； 0 f ，r 一分别是u 型管的内、外半径( m ) ； 女，k 6 ，置。- 分别是钻孔周围岩土、钻孔回填材料与u 型管材料的导热系数( w i ( m 1 0 ) h 为流体与u 型管内壁的对流换热系数( w ( m 2 k ) ) ； 对( 2 - 1 ) 式进行线性变换得： ”t f r l - - ? z b + 警 铲下t j 2 - t b + 等 c r ?= 墨! ! 生2 2 二墨i r 2 2 一r 1 2 ：i 含 r o = 墨! ! 墨望二墨i ： 。 r 1 1 一r 1 2聪= 等 缓蕊兰 嶝彭一 图2 2u 型埋管示意图罔2 3u 型埋管换热器热流图 在以上的二维模型中，i i i 于回避了符内流体温度沿深度方向的变化，因此只能进一步似定t 。= t f2 ， q ，= 玑，这样可以确定钻孔内的总热阻尺。显然，在这样的模型中，由于两支管中流体温度不同而引起 热流“短路”也被忽略掉了。而这样的热流“短路”必然会影响换热器的效率。其影响应该用适当的 模型加以讨论。为此文献州在以r 研究的基础上，进一步考虑管内流体沿深度方向的变化。但为了使模 型仍保持可解析求解，固体中的轴i 川导热仍忽略不计，我们把这样的模型称为准三维模型。韧f 究的目的是 要确定f ，( z ) ，进而考虑u 型管两支管间传热的影响，并更精确地确定钻孔内的总热阻和传热量。 工程上，为提高换热器的传热性能，在u 型箭中流体的流动都是处于湍流状态，因此流体在流动方 向上的导热可忽略不计，只考虑横向的传热；刊时，流体在地热换热器的进出口温度差值都不人，通常小 于i o c ，因此流体在地热换热器流动过程中，可以认为其物性参数( 如比热、密度等) 保持不变。由于忽略 钻孔内部材料的热容量的影响，即忽略钻孔内部温度分布随时间的变化，式( 2 - 3 ) 中的热流q ，及q ，是由 于管内流体温度沿程变化而得。在此假设条件下，流体在向下流动和向上流动过程中的能量平衡方程式 分别为吐 东南大学硕士学位论文 _ u 掣= 半+ t 7 - a z ) - 7 , ，2 ( z ) 掣= 华+ 掣 其定解条件为：0 z h ；z = o ，巧。= 0 ，。：z = h ，0 ，= 0 2 。 ( 2 4 ) 式和( 2 - 5 ) 式中： c ，一一为流体的容积比热，j ( m 3 置) ； v ，一为u 型管内流体的容积流率，m 3 s ； ( 2 4 ) ( 2 5 ) 黼量平衡z 钔、c z 剐进行趔眦龇令量= 酱 。：墅! 塑二墨，z ：三，尺j ：旦型 弓。一瓦h 1 h r 2 ：旦兰堕，r 五：三丛，则可以将能量 日“h 一 半衡万栏式( 2 - 4 ) 、( 2 5 ) 尢量纲化为如f 的方程式： 塑：鱼+ 业 a z r i 砭 堕：垒+ 蛆 3 z r ；。尺二 其无萼笋量的定解条件为：0 1 ( o ) = 1 ，o ( 1 ) = 0 2 ( 1 ) 。 在文献1 中对上述能量方程式进行了求解，求解结果如卜 。( z ) = ，l ( z ) + ( z ) 嬲 。：( z ) = 一，2 ( z ) + 厶( z ) 景罟告爱器 计算u 型埋管换热器出n 处流体的无量纲温度计算式： 。：蜘器端 协舯川= 糖一寿1 口= 蒯彰“k ，一如一1 斗胆) ，2 ( z ) = 鬲1 e “砌( 肛) 侧= 冲+ 采可1 冲寸2 对于工程中常见的对称布置情形，因r ，= r ：，则有r ? = r ；，把尺? 式中得： 口= 0 6 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 。1 4 ) ( 2 1 5 ) 磁代入( 2 11 ) 式。( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 第二章地源热泵地下换热模型 口= ( 2 1 7 ) 蒯瑚( 胁古悟专i s h ( y z ) 沼 ，2 ( z ) 2 紊曲( 应) ( 2 1 9 ) 1 广11 ，3 ( z ) 谢她) + 剖专+ 专l s h ( y z ) ( 2 - 2 0 ) 对本例中的地下部分换热模型，将( 2 - 1 6 ) 式( 2 2 0 ) 式代入( 2 - 8 ) 式、( 2 9 ) 式、( 2 1 0 ) 式 即可计算流体在深度方向的温度变化关系式以及流体的出v i 温度。 2 , 2 3 地下钻孔壁温度的计算 在仿真程序编制的过程中上述各式还不完整，还需要求出钻孔的壁温疋。对于给定的钻孔尺 寸，孔壁的无量纲温度将是相对深度z 的函数。给定不同的钻 l 直径，可得不同的孔壁稳态过余温 度随相对深度的变化关系图。图2 - 4 是相对半径r = 吒h 分别为0 0 0 0 5 、0 0 0 2 7 5 、0 0 0 5 时孔壁 的无量纲稳态过余温度随相对深度变化的关系曲线。从图中可以看出：随着相对深度从零逐渐地增 加，无量纲稳态过余温度先是急剧增大，在孔的中段经过一个相对平缓的变化段，在接近孔的底部 时又急剧下降。当z 超过1 后，无量纲稳态过余温度渐渐趋于零。 无量 同漏詹 图2 4 无量纲温度沿钻孔深度变化关系图 1 ) 钻孔壁巾点温度的计算方法 在工程实际中，常常希望用一个代表性的温度来表征孔壁上的过余温度。一个常用的方案是取 z = h 2 处孔壁的温度作为孔壁的代表温度。通常情况下，在地热换热器中，钻孔半径 相对于钻孔深 度h 是一个很小的量，即圪，h 1 。可以得到计算孔壁巾点稳态过余温度的近似计算公式”1 ： rh 。 鼠= 0 lr h ，兰l 。卫i n 三二，( r h ，h 1 ) ( 2 - 2 1 ) “ l 一2j 2 厩, 3 r 自 一 钻孔壁温度计算方法中用孔壁深度方向中点处的温度作为孔壁的代表温度虽然比较方便，但在定 义上显得有些随意性。也可以以沿整个孔壁深度方向温度的积分平均值作为孔壁代表稳态温度，这样在 传热计算中更为合理。图2 5 分别绘制出这两个温度值随相对半径变化的关系 i ； | 线陶，从图2 5 可以看 出积分平均值与管壁中点温度的值相比较，积分平均值要小于管壁中点温度的值。对于工程中常用的钻 孔半径( 相对半径为o o 0 0 5 o 0 0 5 ) ，积分平均值与由简化公式计算出的管壁中点温度的值其相对误差 大小在3 4 5 之间。但是，积分平均值计算过于繁琐，用于工程实际显然是不方便的。 7 东南大学硕士学位论文 图2 ，5积分平均温度与管壁中点温度比较 2 ) 钻孔壁积分平均温度的计算方法 从图2 - 5 可以看出，积分平均温度与相对半径的对数值近似于直线关系，由此可以用线性回归的方 法确定孔壁积分平均温度与相对半径的近似关系式。这样，可以整理出孔壁积分平均稳态温度的计算式 【8 】： 鼠。兰l l n 二l 一 ( 2 2 2 ) “ 2 石 2 2 r b 通过与积分平均温度的精确值进行比较可知，当0 0 0 0 5 r b h 1 0 4 ，知循环水处于湍流熵所以努塞尔 数 n u ，= o 0 2 3 r e “8p r ? 4 = 0 0 2 3 ( 1 3 2 1 7 ) ”( 6 2 2 ) “= 9 4 6 5 ( 2 2 4 ) 则由( 2 2 4 ) 式得水与u 形管的换热系数： h = n u ，a9 4 6 5 x 6 0 8 5 1 0 2扣 d0 0 3 2 2 ) 仿真程序的算法流程图如图2 - 6 所示 = 1 7 9 9 8 6 w ( m 2 k 、 ( 2 2 5 ) 8 第二章地源热泵地下换热模型 输入已知条件 4 计算钻孔壁温 计算锌公式中所用 到的热阻值 4 周用函数f 1 。f 毛f 蝴计 草，求解结果 4 | 输出结果i 图2 - 6 地下换热模型仿真流程图 3 ) 仿真程序界面 该地源热泵地下换热模型的仿真程序界面如图2 7 所示。程序的输入参数包括地源热采基本的状 态参数( 包括钻孔半径、u 型管外半径、u 型管内半径、钻孔深度、u 型管半间距等) 、u 型管入口水 温，u 型管中水的流量( k g s ) ，所求出水管某处离地面的距离z ( m ) ，以及选用地源热泵机组的上作 模式；输出参数是钻孔出水管z 位置的水温。 图2 7 地下换热模型仿真界面圈 9 东南大学硕士学位论文 4 ) 地下换熟模型仿真结果 4 1 程序运行结果如表2 - 2 所示 计算季节u 型管间距( m )进水温度( )出水温度( )进出水温差( ) 夏季 0 0 2 7 54 23 7 4 84 5 2 3 63 2 9 03 1 冬季 o 0 2 7 559 2 84 2 8 j 21 4 6 22 6 2 表2 2 程序运行结果表 4 2 其他条件不变，改变u 型管半间距对出水温度的影响如图2 - 8 和图2 - 9 所示 p 赠 * 壬 p 赠 * 口 丑 删管半间_ 印“ 图2 8 制冷时出水温度随u 型管半间距的变化图图2 - 9 供暖时出水温度随u 型管、p 间距的变化图 从上罔可以看出：随着u 型管半问距的增加，在制冷工况下，u 型管的出口水温越低；在供暖工 况下，u 型管的出口水温越高。这主要足因为刚扦始取得是u 型管的进水管和出水管紧挨着，此时进 水管与出水管的热短路现象非常严重进出水温差减小，地下换热性能降低 随着u 型管半问距的增 加，迸水管与出水管之问被回填材料隔开，进出水管问的热短路减小，进出水温尊增大，地下换热性 能增加。 4 3 其他条件不变，当改变循环水的流量时，出水温度如表2 - 3 所示 计算季节进水温度循环水雷诺数对流换热系数出水温度进出水温 ( )的流量 r e h ( w ( m 2 k ) ( )差( ) ( k g s ) 夏季 3 80 】5 6 6 】4 9 2 8 83 3 】748 3 0 28 8 1 91 2 3 33 3 9 34 0 7 0 2 51 1 0 2 41 5 5 6 73 3 8 64 1 4 o 31 3 2 1 71 7 9 9 8 63 4 4 33 5 7 o 3 51 5 4 3 42 0 3 7 63 4 8 73 1 3 041 7 6 3 82 2 6 743 5 2 l2 7 9 0 4 51 9 8 4 32 4 9 1 43 5 4 92 5 1 冬季 5o 】5 6 6 1 4 9 2 8 8 1 0 7 9 5 7 9 0 2 8 8 1 9 1 2 3 39 8 848 8 0 2 51 1 0 2 41 5 5 6 79 9 74 9 7 o 3 1 3 2 1 7 1 7 9 9 8 69 2 84 2 8 0 3 5 1 5 4 3 4 2 0 3 76 8 7 6 37 6 0 41 7 6 3 82 2 6 7 ，483 53 3 5 0 4 51 9 8 4 3 2 4 9 1 48 0 23 0 2 表2 3 循环水出水温度随循环水流量变化表 2 3 本章小结 本章建立了地源热泵地下换热部分的数学模型，并给出了在地下换热模型中，各参数变化对冷商 水出l 温度的影响，为以后建立整个系统的仿真模型打下了基础。 1 0 第三章冷凝器模型 3 1 引言 第3 章冷凝器模型 在地源热泵系统中，与地下换热部分相联接的是空调机组的室外换热器( 对制冷工况，室外换热 器即为冷凝器) 。在地源热泵机组中，室外换热采用水冷冷凝器。在制冷工况下，冷却水在冷凝器中吸 收从压缩机出来的高温高压的制冷剂蒸气放出的热量，温度升高，然后进入地源热泵地下埋管中，将 热量排向大地，得到大地冷却的冷却水重新进入冷凝器进行循环。所以冷凝器作为地源热泵系统的一 个重要部件，其传热性能的优劣对于整个地源热泵系统有着重要的影响。本章在建立管壳式水冷冷凝 器的仿真方法的基础上，讨论各因素对水冷冷凝器的性能的影响。 3 - 2 冷凝器结构参数的确定”0 1 在本文中冷凝器的热负荷为a 。= 1 4 2 k w ，冷凝温度“= 4 0 ，选用r 2 2 为制冷剂，选用卧式 壳管式水冷冷凝器，为满足上述对冷凝器的使用要求，冷凝器的结构计算如下： 一般冷却水在冷凝器中的温差为3 8 ，本文取为f = 4 ，水冷冷凝器中污垢的热阻为： l = n = 0 0 0 0 0 9 ( m 2 - k ) w 1 冷却水的流量和平均传热温差 q ，u =旦： 1 4 1 9 9 d c 址 1 0 0 0 x 4 1 8 7 x 4 ：0 8 4 8 x 1 0 3m 3 s f 。：4 ：5 8 。c i n 盟 f 一屯 2 初步规划冷凝器的结构尺寸 选用中1 0 1 的铜管，取水流速度为“= 1 5n g s ，则每流程的管子数为 z ：墼：1 1 2 5 根 用，? “ 调整后取为z = 1 2 根 实际的水流速度为： ( 3 1 ) ( 32 ) ( 3 - 3 ) h ：! 氅：1 4 m s ( 3 _ 4 ) 嬲：z 3 管程与有效管长 假定热流密度q = 6 4 0 0w m 3 ，则所需的传热面积为： f n ：里l ：2 2 2m ，( 3 5 ) q 管程与管子有效长度的乘积为： f ：土：5 9 m ( 3 - 6 ) 。 廊。z 采用管子成正三角形排列的布置方案，管距s = 2 5m r f l ，考虑到实际管路压降随流程数的增加而 降低，选择流程数n = 4 则总管子数n z = 4 8 根，筒径d - - 0 2 4 m 4 传热系数的计算 1 ) 管内冷却水与内壁面的换热系数用以下公式计算： o j i = 0 0 2 3 - 芋- r e 罗衅4 ( 3 - 7 ) 。i 计算时定- n n nt ；：! l 墨：3 4 ( 即冷却水的平均温度) 二 ( 3 - 7 ) 式中： 东南大学硕士学位论文 r e ，雷诺数； r。：堕：!：兰兰塑!：15001ek = = 2 。 v 0 7 4 6 6 x 1 0 。 p r 普朗特数，对木例有p r = 4 9 7 6 ： 旯导热系数； 五= 6 2 4 8 x 1 0 _ 2w ( m 2 k ) ( 查物性表中的数据所得) 则把以上数据代入( 3 7 ) 式中得 d ；= 7 4 8 1 2w i ( m 2 k ) 2 ) 水平管的平均管排数 因流程数n = 4 ，总管子数n z = 4 8 根可以将这些管子布置在1 2 纵列内 为4 其排列如下图所示 铲( 孝套兰耘 叫根2 【孑葺痧i ；亭j - 4 根 具体的流程安排见图3 - 1 ： ( 3 - 8 ) 每列的管子数均 ( 3 9 ) 图3 - 1 冷凝器中制冷剂流程分布图 3 ) 管外换热系数瞄的计算： 取3 4 时r 2 2 的状态参数如下： a = o 0 8 2 w ( m 1p = 1 1 5 3 7 8k g m 3 r = 1 7 2 8 1k j k g v = 0 1 2 6 4 x 1 0 4 m 2 s t = p v = 1 4 5 8 4 x 1 0 n s f t 2 管外换热系数的计算公式如下： 厂 n 、o 2 5 _ o 7 2 5 l 面p 万j k 。2 5 j ( 3 1 0 ) 式中： 胪_ f 丝t 二r 可堂塑慧i 篇1 掣巡r 川协z t ，l 斗) 5 斗u 。 将以上r 2 2 的物性据代入( 3 - 1 0 ) 式中得： = 2 7 7 5 ( a t 。) 。0 ”w ( m 2 ) ( 3 1 1 ) 4 ) 热流密度q 传热过程分为两部分，第一部分为热量经制冷剂的传热过程，其传热温差为f 。；第二部分 为热量经管外污垢，管壁，管内污垢以及冷却水的传热过程，其传热温差为出，。 第一部分的热流密度： q 1 = t 2 oxa t 。= 2 7 7 5 ( a t 。) 0 7 5 ( 3 - 1 2 ) 第二部分的热流密度： 1 2 兰三量竺塑堡塑型一 f1+09x10-474812心8 + 业3 9 8 艘9 + 0 9 1 0 。4 = 2 6 8 5 a t f 一l r - 4 。 事 善， l 1 ( 3 ，1 3 ) 图3 - 2 热流密度q 温度t 关系图 将( 3 1 2 ) 式、( 3 1 3 ) 式表示在q - t 图上如图3 - 2 ( 作网时先根据冷凝温度找到点a ，再根据甲均 传热温差找到点b ，分别以e 面两点为起点，利用以上两个热流密度公式作出两条 | ； 线，! j ! ! j m 线的交 点即是外污垢层表面的温度f 。及冷擞器的热流密度q ) 由图3 - 2 知：t w o = 3 6 7 c求得：q = 6 7 1 3w m q 与前面的假设q = 6 4 0 0 w m 1 - 只差4 9 表明以前的假定是可取的。 5 ) 传热面积和管长的确定 传热系数：k = j l = 1 1 5 7w ( m 2 ) ( 3 _ 1 4 ) f 。 由q 求传热面积 f ：兰l ：2 1 2i n ( 3 - 1 5 ) 。 q 管子的有效长度f 2 二毒笼丑_ 4 m 门。1 6 适当增加后，取管长为1 5m 6 ) 冷凝器中冷却水的流动阻力计算 沿栅力系数善= 器- o 0 2 8 6仔1 7 ) 冷却水的流动阻力 却= 去肛2 l 剪击“5 。v ) l c 。1 8 ， = 0 5 1 0 0 0 x 1 4 2 ( 0 0 2 8 6 x 4 1 1 3 0 0 0 8 + 1 5 x 5 ) = 2 3 1 0 4p a = o 0 2 3m p a 考虑到外部管路损失，冷却水泵的总压头约为 1 3 东南大学硕士学位论文 卸= o 1 + 卸= 0 1 + 0 0 2 3 = o 1 2 3 肝a 取离心水泵的效率为r = o 6 则水泵的功率为 阽华= 巡等等型；”4 w 行u b 3 3 冷凝器的理论模型 下面将要建立的冷凝器稳态分布模型主要是基于以下假设”3 1 管内冷却水的流动为一维均匀流动，且不考虑压降。 2 管外制冷剂的流动亦视作维流动。 3 管壁的热阻忽略不计。 4 冷凝器模型的管束布置图如图3 3 ： 5 冷凝器的结构参数如表3 - 1 ： ( 3 1 9 ) ( 32 0 ) l 铜管径x 管壁管距( r a m )流