（工程热物理专业论文）直膨式土壤源热泵系统仿真及实验研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h ed i r e c t e x p a n s i o ng r o u n dc o u p l e dh e a tp u m ps y s t e m a p p l i c a n t ：。? n g s i 。辩 m a j o r ： 一e n g i n e e r i n g 1 ：l 螅r 照l q 卫照y 曼i 曼 s u p e r v i s o r ：翩照蝇舰q 熊曼曼q e 焦q 蚤撩q 毛通 s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y , 2 0 1 0 s c h o o lo f e n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a i i 脚48m 6m 8m 1 m 7舢1舢y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：j 匆垃h , t i 贸：二匕l 年上月- l 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：啦导师签名弛日期：坐年上月一日 摘要 土壤源热泵技术是一门绿色环保、节能的空调技术。因为减少了 中间换热器，直膨式土壤源热泵系统的换热系数比第二环路土壤源热 泵系统要高；直膨式土壤源热泵系统地埋管换热器内流动的是制冷 剂，在冬季制热模式下不用添加防冻剂。直膨式土壤源热泵的优点吸 引了国内外学者的兴趣，许多学者开始了对直膨式土壤源热泵系统的 研究。 本文利用c f d 软件f l u e n t 模拟了u 型埋管换热器的周围介质温 度场分布，获得了钻井内井水自然对流换热系数，并建立了u 型管 地埋管换热器数学模型。在建立直膨式土壤源热泵系统各部件模型的 基础上建立了直膨式土壤源热泵系统模型，计算了直膨式土壤源热泵 系统的性能系数、换热量等参数，并通过实验验证模型的准确性。 本文分析了制热模式直膨式土壤源热泵系统性能系数等参数随 影响因素的变化规律，得出以下结论：( 1 ) 随着冷却水流量的增大， 热泵系统的制冷量、制热量、c o p 会随之增大，而功率随之减小； 相反冷却水流量减小，制冷量减小，压缩机功率增大，系统c 卯减 小。( 2 ) 随着冷却水入口水温增大，热泵系统的制冷量、制热量以 及c o p 逐渐减小，压缩机功率却逐渐增大。( 3 ) 直膨式土壤源热泵 系统的性能系数c 卯优于空气源热泵系统。 关键词土壤源热泵，直接膨胀式，垂直u 型埋管换热器，性能分析 a bs t r a c t g r o u n d s o u r c eh e a tp u m pr g s h p ) t e c h n o l o g yi sc l e a na n d h i g h e 饰c i e n c y b e c a u s eo fl a c ko ft h em i d d l eh e a te x c h a n g e r ，t h e e f f i c i e n c yo fd x g c h p ( d i r e c te x p a n s i o ng r o u n dc o u p l e dh e a tp u m p ) i s h i g h e rt h a nt h es l g c h p ( s e c o n d a r yl o o pg r o u n dc o u p l e dh e a tp u m p ) s r e f r i g e r a n tf l o w si nt h eb u r i e dp i p eo fd x g c h pa n dt h ea n t i f r e e z e f l u i di sn o tr e q u i r e dw h e nd x g c h ps y s t e mw o r k si nw i n t e r d x g c h p i sm o r ea n dm o r ea t t r a c t i n gm a n ys c h o l a r s a t t e n t i o n s t e m p e r a t u r ef i e l do fb u r i e du t u b eh e a te x c h a n g e ri sa c h i e v e db y t h ec f ds o f t w a r ef l u e n t t h eh e a tt r a n s f e rc o e f j f i c i e n to fn a t u r a l c o n v e c t i o ni nt h ew e l lw a t e ri sc a l c u l a t e d b a s e do nt h ec o m p o n e n tm o d e l t h ed x g s h ps y s t e mm o d e li sb u i l t c d pa n dq u a n t i t yo fe x c h a n g e d h e a ti sc a l c u l a t e d t h er e s u l t sa r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t c o n c l u s i o n sa r em a d e ：( 1 ) r e f r i g e r a t i n gc a p a c i t y 、h e a t i n gc a p a c i t y a n dc o po ft h ed x g c h ps y s t e ml n c r e a s e dw i t ht h ef l u xo fc o o l i n g w a t e r , w h i l et h ep o w e ro fc o m p r e s s o rd e c r e a s e d ( 2 ) r e f r i g e r a t i n g c a p a c i t y 、h e a t i n gc a p a c i t ya n dc o p o ft h ed x g c h ps y s t e md e c r e a s e d w i t ht h ei n l e tt e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r , w h i l et h ep o w e ro f c o m p r e s s o ri n c r e a s e d ( 3 ) t h ec d 尸o f d x g c h pi sh i g h e rt h a na s h p s k e yw o r d s g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ，d i r e c te x p a n s i o n ，v e r t i c a l u t u b eg r o u n dh e a te x c h a n g e r ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s i i 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义。1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 直膨式土壤源热泵的优点2 1 2 发展概况及研究现状4 1 3 课题的提出与研究内容5 第二章实验台及实验内容7 2 1 实验目的7 2 2 实验系统简介7 2 2 1 套管换热器8 2 2 2 活塞式压缩机8 2 2 3 热力膨胀阀8 2 2 4u 型埋管换热器9 2 3 实验内容1o 2 3 1 制冷模式1 0 2 3 2 制热模式1 0 2 4 本章小结12 第三章埋管换热器模型13 3 1 地下埋管换热器的埋管形式1 3 3 2u 型管竖直埋管换热器周围介质温度场仿真1 4 3 2 1 蒸发模式仿真1 6 3 2 2 冷凝模式仿真18 3 3 自然对流换热系数模拟分析2 0 3 4u 型管竖直埋管换热器数学模型2 2 3 4 1 换热器建模方法2 2 3 4 2 冷凝模型2 3 3 4 3 蒸发模型2 6 3 5 本章小结3 0 第四章热泵机组部件及系统模型31 i i i 4 1 套管换热器数学模型31 4 1 1 冷凝模式。3 1 4 1 2 蒸发模式3 4 4 2 膨胀阀数学模型3 5 4 3 压缩机数学模型3 6 4 4 系统数学模型及验证3 8 4 4 1 程序计算框图4 0 4 4 2 模型验证一4 0 4 4 3 名义工况系统性能分析4 l 4 4 4 参数变化对系统性能影响分析4 1 4 4 5 误差分析4 3 4 5 本章小结4 4 第五章结论4 5 5 1 结论4 5 5 2 研究工作的不足4 5 5 3 展望4 6 参考文献4 7 致谢5 2 攻读学位期间主要的研究成果5 3 i v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 研究背景 随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，社会对人类赖以生存的环境舒 适度要求越来越高，用于供暖、供冷的能量消耗也日趋增大。建筑是城市的骨架， 城市的环保、节能与建筑节能是紧密相关的，只有良好的建筑节能才能达到城市 的环保要求，满足可持续发展的需要。据统计，我国历年建筑能耗在总能耗中的 比例是1 9 2 0 ，平均值为1 9 8 t 1 1 。其中，用于暖通空调的能耗约占建筑能耗 的8 5 。最大限度地减少能耗，减少有害物质的排放，并且充分地利用可再生 能源成为住宅供暖供冷技术的发展的要求。所以利用太阳能、地热能等多种可再 生能源的生态住宅就应运而生。在世界一些发达国家，由于人民生活水乎较高， 其建筑能耗占总能耗的比例也很高，约为3 0 - - 4 0 。因此，建筑节能是世界各 国共同存在而又非常重视的大问题。 我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭。矿物燃料燃烧产生的大量 污染物，包括大量s 0 2 、n o 。等有害气体以及c 0 2 等温室效应气体，所以需要寻找 可持续发展的建筑节能新技术，地源热泵技术就是其中之一【2 】。 土壤源热泵利用地下浅层土壤的热能，通过输入少量的能源( 如电能) ，将热 能从低温热源向高温热源转移，实现既可供热又可制冷的高效节能空调系统。土 壤源热泵利用地能一年四季温度稳定的特点，冬季把地能作为热泵供暖的热源， 即把高于环境温度的地能中的热能取出来供给室内采暖，夏季把地能作为空调的 冷源，即把室内的热能取出来释放到低于环境温度的地源中。土壤源热泵系统采 用的是可再生的地热能，因此被称之为一项以节能和环保为特征的2 1 世纪的技 术。因此，土壤源热泵的研究在我国有着广阔的应用前景，也必将产生巨大的经 济效益和社会效益【3 】。 ( 1 ) 绿色环保，土壤源热泵系统利用地球表面浅层地热资源和清洁的电能实 现供热和空调，没有燃烧、没有排烟及废弃物。电能可来自水力等可再生性的资 源。此外，在大型的火电厂中，由于便于采用先进技术，不但能源的利用率提高， 而且可以做到对有害气体进行严格集中处理，使s 0 2 、n o 。的排放量大大减少， 有效改善城市中的大气环境。 ( 2 ) 资源可再生利用，土壤源热泵技术利用地球表面浅层地热资源( 地能) 作 为冷热源进行能量转换，而地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，蕴藏着无限的 中南大学硕士学位论文第一章绪论 可再生能源供热泵利用；夏季热泵将室内多余的热量释放给地下岩层蓄存起来， 冬季再将其从地下抽取出来送到室内。因此，热泵充分利用了地下土壤作为蓄热 体，能量循环利用，是一种利用可持续发展能源的新装置。 ( 3 ) 机组效率高，节省运行费用。地下土壤的温度全年比较恒定，在夏季土 壤温度比室外环境空气温度低，因此是热泵很好的冷源。与空气热源热泵及其它 传统空调方式比较，地源热泵的效率要高大约2 0 - 4 0 。在冬季，地下土壤的 温度远高于室外大气温度，地源热泵的c o p 可高达4 0 ，采用地源热泵供暖的费 用约比采用电锅炉供暖可节约6 0 左右。 ( 4 ) 土壤源源热泵既可供冷，又可供暖，实现了一机多用功能，节约设备用 房。采用地源热泵供热和供冷，一套系统代替了原来的锅炉和空调两套系统，夏 季也省去冷却塔，尤其在冷负荷较大或冬季不需供热的地方，热泵机组同时还可 提供家用热水，节省了建筑空间及设备的初投资，由此而产生的经济效益相当可 观。 ( 5 ) 占地面积少，机房占地面积小，节省空间，可设在地下室内。 1 1 2 直膨式土壤源热泵的优点 热泵空调根据热源的不同可分为空气源热泵( a i r - s o u r c eh e a tp u m p ， a s h p ) ，水源热泵( w a t e r - s o u r c eh e a tp u m p ，w s h p ) 和地源热泵( g r o u n d s o u r c e h e a tp u m p ，g s h p ) 三种形式【4 1 。 我国国家标准地源热泵系统工程技术规范( g b 5 0 3 6 6 _ 0 0 5 ) 【5 】将地源 热泵系统的分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系 统。美国供暖空调制冷工程师协会( a s h 黜嗵) 将地源热泵分为地下水源热泵系 统、地表水地源热泵和土壤源热泵系统。两个标准对地源热泵的分类很接近。 土壤是一种良好的低温热源，其温度变化不大，并有一定的蓄能作用。以土 壤为热源和热汇的热泵系统称之为土壤源热泵( g r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m p ， g c h p ) ，它的地埋管换热系统( g r o u n dh e a te x c h a n g e rs y s t e m ，g h e s ) 可以水 平安装在地沟中，或是以u 型管状垂直安装在竖井之中【6 】： 土壤源热泵系统可分为第二环路土壤源热泵系统( s e c o n d a r yl o o p g r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p ，s l g c h p ) 和直接膨胀式土壤源热泵系统( d i r e c t e x p a n s i o ng r o u n d c o u p l e dh e a tp u m p ，d x - g c h p ) 【7 1 。 在s l g c h p 系统中，存在三个换热循环： ( 1 ) 岩土先与地埋管换热器( 通常是聚乙烯管) 内循环水泵驱动的中间传热 介质( 水或添加了防冻液的水) 进行热量交换，向中间传热介质放热或吸热；中 间传热介质再与热泵机组内的中间换热器换热； ( 2 ) 地上热泵机组的换热循环，制冷剂在系统中流动，在两个换热器中实现 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 吸热和放热过程； ( 3 ) 热泵机组换热器与冷冻水换热，冷冻水循环通过冷冻水泵运行，将从热 泵机组获得的热量或冷量运送到用户处。 第二环路土壤源热泵系统( s l - g c h p ) 系统如图1 - 1 所示。 图卜1 第二环路土壤源热泵系统( s l - g c h p ) 埋地铜 5 图1 - 2 直接膨胀式土壤源热泵系统( d x - g c h p ) d x g c h p 系统热泵机组内省略了中间换热器，系统只存在两个换热循环： ( 1 ) 制冷剂循环通过压缩机运行，使制冷剂在u 型地埋管换热器和换热器之 间流动，把u 型地埋管换热器得到的冷量( 或热量) 输送到换热器中； 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 热泵机组换热器与冷冻水换热，冷冻水循环通过冷冻水泵运行，将从热 泵机组获得的热量或冷量运送到用户处。 图1 2 是一个u 型埋地铜管直接膨胀式土壤源热泵系统( d x g c h p ) 系统的 示意图。 直接膨胀式土壤源热泵系统与第二环路土壤源热泵相比较具有以下优点： ( 1 ) 直膨式土壤源热泵系统中的制冷剂直接与土壤进行换热，减少换热环 节，提高能量的利用率，系统效率得到提高；管材耗量减少，地下施工量也相对 减少，经济性优于第二环路土壤源热泵。 ( 2 ) 直膨式土壤源热泵系统与土壤之间换热主要属于相变换热，第二环路土 壤源热泵系统地下换热器中工质与土壤换热不会发生相变，所以在同等条件下， 直膨式土壤源热泵系统的地下换热器换热系数比第二环路土壤源热泵系统地下 换热器中换热系数大得多。 ( 3 ) 地埋管换热器中充注的是制冷剂，与第二环路土壤源热泵系统地下换热 器充注的是水相比较，不存在结冻的危险，不需要添加防冻剂。而第二环路土壤 源热泵系统地下换热器必要时要添加防冻剂。 1 2 发展概况及研究现状 土壤源热泵在国外起步较早，这要追溯至u 1 9 1 2 年瑞士的一个专利，其发展大 致可以分为以下三个阶段： 第一阶段，1 9 1 2 年瑞士人佐伊利【8 】提出了利用土壤作为热泵热源的专利设 想，直到二战结束后，才在欧洲与北美兴起对其大规模的研究与开发【9 】。这一阶 段主要是对土壤源热泵进行了一系列基础性的实验研究，包括土壤源热泵运行的 实验研究，埋地盘管的实验研究，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；然而，由于土壤源热泵的高投资及 当时廉价的能源资源，这一阶段的研究高潮持续到2 0 世纪5 0 年代中期便基本停止 7 p o - t 3 1 jo 第二阶段，1 9 7 3 年，由于“能源危机”的出现，美国和欧洲又展开了对土壤源 热泵大规模的实验与理论研究。瑞典在短短的几年内共安装了土壤源热泵1 0 0 多 台套，美国从1 9 7 7 年开始，重新开始对土壤源热泵的大规模研究【1 4 ，1 5 】。1 9 7 8 年 b n l ( b r o o k h a v e nn a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 锘1 定了土壤源热泵的研究计划，调查其作为 空调系统的应用情况，并发表了一些研究成果，主要有对土壤源热泵实际运行的 计算机模拟等【1 6 】。资料研究表明：几乎所有的有关土壤源热泵的研究工作都是在 美国能源部的支持下，由美国的多所大学和b n l 、o r n l 等国家级重点实验室进 行的，可以说，土壤源热泵的绝大部分研究工作均是在这一阶段完成的【1 7 ”】。 4 中南人学硕士学位论文第一章绪论 第三阶段，进入二十世纪九十年代，土壤源热泵的应用与发展进入了一个全 新快速发展的时期，土壤源热泵在欧洲和北美迅速普及，在中欧和北欧地区，土 壤源热泵已成为家用热泵的主要热源；在美国，土壤源热泵因其节能性、舒适性 正在大力推广；在加拿大，从1 9 9 0 年至u 1 9 9 6 年家用的土壤源热泵以每年2 0 的递 增销量而处于各种热泵系统的首位( 1 9 - 2 1 1 。 我国对土壤源热泵研究可追溯到上个世纪5 0 年代，虽然也有一定的历史，但 是土壤源热泵的应用和推广却比较缓慢。这主要是因为我国的经济条件制约的， n 2 0 世纪8 0 年代末，土壤源热泵技术的研究才日益受到人们的重视瞄 2 3 1 。 目前世界上安装的土壤源热泵系统基本上是第二环路土壤源热泵系统，直膨 式土壤源热泵系统安装数量极少。究其原因，一方面是国内外学者大都致力于第 二环路土壤源热泵系统的研究和开发，对直膨式土壤源热泵系统的研究关注较少 因而技术不够成熟，国际上大型的专业热泵公司一般都专注于研究第二环路土壤 源热泵系统。另一方面从事直膨式土壤源热泵系统研究的大多是一些小型公司， 开发出来的产品良莠不齐，要么不可靠，要么不能达到理想的高效率，而且大多 是水平埋管式系统，直膨式土壤源热泵系统的效率优势不能得到充分发挥，因而 用户在选择热泵系统时不能接受直膨式土壤源热泵系统，而选择技术更成熟、更 可靠的第二环路土壤源热泵系统。 然而随着技术的进步和新技术的出现，一些学者重新对直膨式土壤源热泵系 统的设计应用关注起来。m e i 2 4 】的研究表明，只有在当地土壤和地下水中含有较 高成分的氧化物时，才会缓慢出现直膨式土壤源热泵系统铜管腐蚀的情况。直膨 式土壤源热泵系统夏季的启动问题可以用两个方法解决，一种是采用较浅的钻 孔，另外一种是充注较多的制冷剂并在系统中增加储液器。目前美国和加拿大只 有一些小型公司生产安装直膨式土壤源热泵系统，安装数量极少。 目前国内关于直接膨胀式土壤源热泵的研究和应用较少，多为理论简介。 1 3 课题的提出与研究内容 计算机仿真是用数学形式表达实际系统的运动规律。对单个部件的仿真和对 整个系统的仿真使得人们对部件特性和系统特性均能进行比较详尽的研究，可对 产品开发和改进提供方向性指导。并且对系统和过程的仿真模拟方法可以节省大 量人力物力，同时还能提高开发效率，缩短开发时间。 目前国内关于直接膨胀式土壤源热泵的研究和应用较少，多为理论介绍。国 外学者对直膨式土壤源热泵系统的研究方法多为实验，研究内容主要集中在地下 换热器的回油和压缩机启动，对直膨式土壤源热泵机组系统没有比较完整和系统 的研究。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 本文利用计算机仿真技术，对直膨式土壤源热泵系统的稳态运行状态进行仿 真，分析各参数对热泵系统运行性能的影响，为以后对直膨式土壤源热泵系统的 研究打下基础。本文的研究内容如下： ( 1 ) 建立地下u 型埋管换热器模型 利用c f d 软件f l u e n t 对u 型垂直埋管地下换热器周围介质进行传热分析及模 拟温度场的分布，建立地下埋管换热器的物理模型和数学模型，对模拟结果进行 分析获得地下埋管换热器的传热特性，并与实验结果进行比较。在获得地下换热 器管外井水自然对流换热系数的基础上，采用稳态分布参数法建立地下换热器的 稳态数学模型。 ( 2 ) 建立热泵机组各部件模型 分别对活塞式压缩机、膨胀阀、套管换热器建立数学模型。对热泵机组的地 上套管换热器，根据换热器内制冷剂所处的状态不同进行分区，在每个区内，沿 传热管段将其划分为多个微元，采用稳态分布参数法建立稳态数学模型。 ( 3 ) 建立热泵机组的稳态仿真模型 在部件模型的基础上，利用能量守恒、质量守恒定律，将各个部件的模型有 机的集合起来，构成整个热泵机组的稳态模型。并通过实验的方法，对系统模型 进行验证。研究土壤源热泵系统在不同的参数下，系统的性能的变化规律，并进 行具体的分析，为深入掌握研究土壤源热泵的运行特性、分析不同运行参数对土 壤源热泵系统的影响打下基础。 6 中南人学硕士学位论文第二章实验台及实验内容 2 1 实验目的 第二章实验台及实验内容 目前国内对于直膨式土壤源热泵的研究很少，原因在于直膨式土壤源热泵存 在供热模式压缩机回油和埋地铜管腐蚀的问题，但是直膨式土壤源热泵系统比常 规土壤源热泵系统的换热效率高，且投资少，如果能解决铜管腐蚀和压缩机回油 问题，直膨式土壤源热泵就能得到广泛地推广和应用。2 0 0 8 年初，与湖南大学合 作搭建了直膨式土壤源热泵系统，实验研究制热模式压缩机回油问题、冬季制热 和夏季制冷工况下地下温度场变化规律及系统性能系数的变化规律。本文重点研 究直膨式土壤源热泵系统性能系数随影响因素的变化规律。 2 2 实验系统简介 实验台简图如图2 1 所示。直膨式土壤源热泵系统由四个主要部件组成：套 管式换热器、活塞式压缩机、热力膨胀阀以及u 型竖直埋管换热器。 热力膨胀闵单向阎 图2 1 实验台简图 系统在供热模式下，从压缩机出来的高温高压制冷剂气体进入套管换热器 中，与水进行逆流换热；从套管换热器出来的被冷却的高压液态制冷剂经过膨胀 7 中南大学硕士学位论文第二章实验台及实验内容 阀节流，压强降低；节流后的低温低压制冷剂进入u 型地埋管中，由于与周围 介质存在温差，吸收周围介质中的热量，由液态蒸发变为气态；从u 型埋管出 来的过热气态制冷剂进入压缩机被绝热压缩，成为高温高压的气体，之后高温高 压的制冷剂气体进入套管换热器，到此完成一个制冷循环。 系统在制冷模式下，首先从压缩机出来的高温高压制冷剂气体进入u 型地下 埋管，由于与周围介质存在温差，放热冷凝，被冷却下来的高压液态制冷剂经过 膨胀阀节流，压强降低；被节流后的低温低压制冷剂进入套管换热器中，与水换 热，吸收水中的热量，由液态蒸发变为气态；从套管换热器出来的过热气态制冷 剂进入压缩机进行压缩，成为高温高压的气体，之后高温高压的制冷剂气体进入 送到u 型地埋管中进行换热，到此完成一个循环。 2 2 1 套管换热器 热泵机组的地上换热器为螺旋套管式换热器，螺旋管曲率半径为0 2 5 m ，换 热器总管长1l m ，内管尺寸为1 2 7 l m m ，外管内径为1 6 m m ，制冷剂在芯管内 流动，与外管中的水逆流换热。 2 2 2 活塞式压缩机 实验采用2 k c 0 5 2 压缩机，压缩机结构参数如表2 1 所采2 5 】： 表2 - 12 k c - 0 5 2 压缩机参数 结构如图2 2 所示，其特点为应用范围广泛：高温、中温及低温应用；同一 类型压缩机可使用r 2 2 、r 4 0 4 a 、r 5 0 7 a 、r 1 3 4 a 、r 4 0 7 a 制冷剂；压缩机配有电子 保护模块，采用p t c 传感器对电机温度进行监控；c l 到c 4 均采用高质量耐磨部件、 八角型设计，使压缩机符合极小的空间要求；油系统采用飞溅式润滑，即使在极 限运行工况下，仍能保证良好的压缩机供油【2 5 】。 图2 - 2 比泽2 k c - 0 5 2 , i f - , - 缩机 中南大学硕士学位论文第二章实验台及实验内容 2 2 3 热力膨胀阀 本实验采用b a e l 1 2 h c a 5 f t l 2 5 8 0 d f s 厂r 热力式膨胀阀【2 6 1 ，结构如图2 3 所示。其特点为过热度外部调整：旋下密封螺帽，旋转调节杆，逆时针转动调节 杆一圈，过热度减少1 。外型紧凑整体式设计，平衡阀口设计具有双向流通能力。 图2 - 3b a e l - 1 2 h c a 5 f t l 2 x 5 8 0 d f s t 热力膨胀阀 2 2 4u 型埋管换热器 u 型埋管换热器设置在一个水井中，水井直径为2 5 0 m m ，u 型地埋管在水中 的深度为3 2 米，铜管规格为0 1 2 7 x 1 0 m m 。 2 2 5 油分离器 在供热模式下，为保证压缩机正常工作，减少过热蒸气带走润滑油量，在压 缩机出口设置一个油分离器，以便尽可能多的收集过热蒸气带走的润滑油。本实 验采用a l c o 提供的a w 5 5 8 2 4 油分离器，其特点为可以和h c f c s 、h f c s 以及与 它们相容的润滑油一起使用，有密封的或可以清洁的两种单元可供选用，浮球阀 关闭可靠，耐腐蚀，安全工作压力4 5 0 p s i g 。 2 2 6 电磁阀 本次实验分别采用丹佛斯e v r l0 n o 和e v r 6 n o 电磁阀，其特点：可适合于 所有氟化物制冷剂、耐介质温度最高可达到1 0 5 ，最大工作压差可达2 5 b a r 。 2 2 7 无纸记录仪 实验数据的采集器为北京英华达电力电子工程科技有限公司生产的4 8 通道 e n 8 8 0 彩色无纸记录仪，该记录仪可识别电流、电压、脉冲等信号。 2 2 8 制冷剂 管内制冷剂原则上可以选择常见制冷剂，但是考虑不同制冷剂性质、价格之 间的差别以及对环境影响等方面因素，本次实验采用r 2 2 作为系统换热介质。 9 中南大学硕士学位论文 第二章实验台及实验内容 2 3 实验内容 实验的主要内容： ( 1 ) 测量制冷模式和制热模式下u 型竖直埋管换热器的进出口制冷剂温度。 ( 2 ) 测量地上套管换热器的水进出口温度以及流量、进出口制冷剂温度。 2 3 1 制冷模式 时间m i n ( a ) 套管换热器入口水温 时间r a i n ( b ) 套管换热器出口水温 时间r a i n 时间m i l l ( c ) 套管换热器出口制冷剂温度图( d ) 埋管换热器出口制冷剂温度 图2 _ 4 制冷模式温度变化图 2 0 0 8 年7 月12 日，热泵机组运行制冷模式。地上套管换热器为蒸发器，地下 埋管换热器为冷凝器。实验测定了套管换热器的进出口水温、制冷剂进出口温度； 地下埋管的制冷剂进出口温度。图2 4 所示为换热器进出口制冷剂及水的温度， 记录仪每隔4 分钟记录一次温度数据，总运行时间为4 0 d 、时。 套管换热器的入口水温在运行了2 0 个小时之后开始上升，是因为套管换热器 的水为自来水，自来水会受一天气温的波动而变化，实验从7 月1 2 日下午4 点开始， 运行了2 1 个小时之后大概为1 3 日中午1 2 点，这时自来水温度会随气温的升高而升 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章实验台及实验内容 高，因此出现上升的现象。 套管换热器的出口制冷剂温度在运行了2 0 个小时的时候开始波动，原因是水 流量的变化。水流量的变化导致出口水温的变化，从而引起套管换热器的制冷剂 出口温度变化。热力膨胀阀开始调节制冷剂流量，以到达控制过热度的目的，故 出现了出口制冷剂温度波动现象。温度的波动幅度为1 。 达到稳态之后各个参数的值分别为：入口水温2 8 、出口水温o 7 、套管 换热器制冷剂出口温度4 2 、埋管换热器制冷剂出口温度2 2 8 。 2 3 2 制热模式 2 0 0 8 年7 月2 4 日，热泵机组运行制热模式，记录仪每隔3 0 秒记录一次温度数 据。地下埋管换热器为蒸发器，地上套管换热器为冷凝器。实验测定了套管换热 器的进出口水温、制冷剂进出口温度；地下埋管的制冷剂进出口温度。图2 5 所 示为换热器进出口制冷剂及水的温度，总运行时间为1 3 d 时。 时间m i l l时间m i n ( a ) 套管换热器入口水温( b ) 套管换热器出口水温 时间m i l l ( c ) 套管换热器出口制冷剂温度 时间m i n ( d ) 埋管换热器出口制冷剂温度 图2 5 制热模式温度变化图 中南大学硕士学位论文 第二章实验台及实验内容 套管换热器的入口水温的大致趋势是稍微往下降之后接近平稳。这是因为实 验从7 月2 4 日下午1 点开始，运行了1 3 个小时之后已经到了2 5 日凌晨2 点，此过程 自来水温度会随气温的降低而降低，因此出现下降的趋势，但下降的幅度不大。 最终温度稳定在2 7 6 左右。 套管换热器的出口制冷剂温度和出口水温在运行了接近5 0 0 m i n 的时候出现 上升，但持续时间较短。原因是水流量的变化，水流量的变化导致出口水温的变 化，从而引起套管换热器的制冷剂出口温度变化。 地埋管的出口制冷剂温度有较小幅度的波动，原因是热力膨胀阀对出口过热 度的控制，不断调节通入地埋管的制冷剂流量。温度的波动幅度大约为o 3 。 达到稳态之后各个参数的值分别为：入口水温2 7 6 。c 、出口水温4 4 9 5 、套 管换热器制冷剂出口温度4 4 1 5 、埋管换热器制冷剂出口温度1 8 8 5 。 2 4 本章小结 本章主要工作： ( 1 ) 介绍了直膨式土壤源热泵系统实验台及各系统部件。 ( 2 ) 分别测量了制冷和制热模式下系统中水的进出口温度和各个换热器的 进出口温度。 ( 3 ) 分析了温度变化的原因。水流量及入口水温对换热器出口温度会造成影 响，但持续时间不长，最终能基本达到稳态。 ( 4 ) 获得稳态温度值，为之后的模型验证提供依据。 1 2 中南大学硕士学位论文第三章埋管换热器模型 第三章埋管换热器模型 3 1 地下埋管换热器的埋管形式 地下埋管换热器的埋管形式主要有两种：垂直埋管和水平埋管【2 7 , 2 8 】。 ( 1 ) 水平埋管的形式 水平管换热器。一般用于地表面积充裕的场合，盘管埋于地沟内，埋深 1 2 - - - 3 m ，每沟埋1 - - - 6 根管子。水平管换热器的成本极低，安装灵活。但它占地 面积大，同时由于埋深较浅，土壤温度和热特性易受季节等因素的影响。 螺旋管换热器。埋管在水平沟内呈螺旋状敷设。它与水平管换热器相比， 占地面积较小，安装成本相对较低，但所需管子比水平管要多，同时流动阻力损 失相对也大，循环泵运行中能耗也就大，并且在填埋过程中易损坏管子。 水平埋管地源热泵系统由于地热换热器更接近地表面，系统性能受天气和空 气温度的波动影响更大一些，因此系统效率比竖直埋管地源热泵系统要低，所需 的埋管长度更长。水平埋管的地热换热器占地面积大，但初投资低，因此在场地 面积较大时，可考虑采用水平埋管方式。 ( 2 ) 垂直埋管形式 根据埋管形式不同竖直埋管又可分为套管式与u 型管竖直埋管两种。 套管式换热器的外管直径一般为1 0 0 - - - 2 0 0 m m ，内管管径为1 5 - - 2 5 m m 。由于 增大了埋管外壁与土壤的换热面积，因此其单位埋管管长的换热量高，换热效率 优于u 型埋管。其缺点是套管直径及钻孔直径较大，下管比较困难，初投资比u 型埋管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深 度小于3 0 m 的垂直埋管【2 9 1 。 目前应用较多的是u 型埋管换热器。u 型埋管换热器是在钻孔的管井内安装 u 型管，一般钻井孔直径为7 0 , - - 一2 0 0 m m ，u 型管径一般在2 5 - - 5 0 m m ，井深3 0 2 0 0 m 3 0 】。其施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏。根据 建筑物大小和建筑物冷热负荷大小，埋地换热器系统中的钻井孔的数目可多个。 每个钻井孔与其它的钻井孔的间距根据热泵系统的运行规律和土壤特性来决定， 一般为3 - - 4 5 m 。竖直埋管的地热换热器有以下几种形式：单u 型管、双u 型管、 螺旋盘管、立式柱状、蜘蛛状。在竖直埋管换热器中，目前应用最为广泛的是单 u 型管和双u 型管。 垂直竖井敷设方式适用于可用地表面积受到限制的场合，占地面积小，它与 水平敷设方式相比，所需的管材较少，流动阻力损失小，系统效率高，土壤温度 1 3 中南大学硕士学位论文第三章埋管换热器模型 不易受季节变化的影响。本文研究的地埋管换热器为竖直单u 型管换热器。 3 2u 型管竖直埋管换热器周围介质温度场仿真 本文利用计算流体动力学软件f l u e n t 模拟u 型埋管换热器周围介质的温度场 分布以及u 型埋管的管外自然对流换热系数。u 型竖直埋管换热器的传热，总体 上是一个非稳态的传热过程，理论上应采用非稳态传热过程来分析研究。但在长 时间运行之后，系统能基本接近稳态。故下面建立u 型埋管换热器的稳态模型。 ( 1 ) 建模假设 忽略接触热阻、土壤湿迁移； 除密度外，认为水的其它热物性参数在实验温度范围内不发生变化，且 均匀一致； 土壤和井水初始温度均匀并且一致，不随深度变化。 ( 2 ) 物理模型 u 型埋管物理模型如图3 1 所示。 图3 1u 型埋管换热器简图 ( a ) 实际u 型埋管 ( b ) 简化的当量管 图3 - 2 当量管模型 1 4 中南大学硕士学位论文第三章埋管换热器模型 由于u 型埋管换热器在钻孔这一狭小区域内，两个支管内流动着的流体温 度不同，这必然会引起两根支管之间相互的热影响【即热流短路现象) 。但是， 由于u 型管的两支管与钻孔轴不同轴，给此传热问题的分析与建模带来困难， 同时使得分析显得过于困难；另一方面，直膨式土壤源热泵系统的u 型埋管换 热器中流动的是制冷剂，制冷剂在与周围介质换热时会发生相变，两相区时温度 不变，两支管的热短路现象比第二环路土壤源热泵系统的要小一些。因此，工程 上把u 型管的两支管简化为一个当量的单管，由此避免了u 型埋管两支管与钻 孔因不同轴而带来复杂问题【3 1 , 3 2 】。简化的模型中，如图3 2 所示，当量管子的当 量直径一般都取为u 型管直径的2 倍，即d ，= 4 2 a 。 1 銎3 - 3u 型管网格模型 1 5 中南大学硕士学位论文第三章埋管换热器模型 h a r t t 3 3 1 和c o u v i l l i o n 【3 4 1 并且定义了热扩散半径k ：在某一运行时间内，由于 热源的作用，钻孔周围的土壤温度发生了变化，在热扩散半径k 以外的土壤温度 是不受干扰的，且保持不变。根据贾韶强【3 5 】的研究，一天内热扩散半径约为 o 8 5 m ；在半个月内热扩散半径约为2 4 m 。取热扩散半径为2 4 m ，水井直径为 0 2 5 m ，地下u 型地埋管在水中的深度为3 2 米，井深3 6 m 。利用g a m b i t 软件 绘制出u 型埋管换热器的网格，网格模型的尺寸为：外圆柱直径2 4 m ( 土壤部 分) ，内圆柱直径0 2 5 m ( 钻井部分) ，最内部圆柱直径1 7 9 6 m m ( 简化的u 型管 外直径) ，圆柱深度均为3 6 m 。网格模型如图3 3 所示。 ( 3 ) 控制方程 对于井水部分： 坐+ 坐+ 一o u ：0 ( 3 1 ) + + = l 3 一1 ) 瓠 劫 a z p ( u 罢+ y 宴+ w 考，= c 等+ 鲁+ 窘，一塞c3-20y ， _ + 1 ，_ +_ ) = ( 百+ 百+ 石) 一 ( 。) a xa za ) c 。铆o z a x 宴+v考+老，=tp(u w 1 ( 筹+ 雾+ 一考c3-30 x ， _ + v _ +_ ) =石+ 。万+ 石) 一 ( 。) 铆o zo r国。a z o 、7 芸+v考+w争=1(雾+雾+害)+prigp(u p f l g ( 丁一t o ) 、 (3-4dz ) _ = + 1 ，- = + w - 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