（工程热物理专业论文）地源热泵系统的优化设计及工程应用.pdf

摘要 摘要 土壤源热泵由于其良好的节能性和环保性，在国外已经有很多应用的工程， 而国内对于土壤源热泵还不是十分认可，主要是相关土壤参数的缺乏和没有成 熟的设计技术，同时相关的挖掘等技术没有配套，导致土壤源热泵初投资较高。 本文出于工程应用的考虑，主要对土壤源热泵选取模型进行模拟，进行了地下 换热器的详细设计，计算土壤源热泵的能耗，说明其节能性。 首先对仿真的情况和仿真模型的情况进行了介绍，同时对u 型埋管的模型 进行了选取和求解。利用某工程搭建了简易实验台对桩基埋管进行了测试，同 时建立模型进行了模拟计算，对测试结果和实验结果进行了比较验证，说明所 建模型的可靠性，同时也证明模型计算的数据结果可以为工程应用提供理论和 数据的依据。从测试的结果看，地下换热器的散热情况除了跟土壤物性参数有 关外，还与埋管水流量和平均水温有关。 然后对土壤源热泵的运用场合进行了分析，并对地下换热器进行了设计计算， 同时举例说明。在夏热冬冷地区最适合土壤源热泵的应用，别墅和地处空旷地 带的建筑类型也适合应用土壤源热泵。在进行土壤源热泵设计时，可以考虑和 太阳能加热器、冷却塔、地板辐射等设备结合使用。设计计算适合工程中的应 用，对其中的各个设计环节进行了优化和说明。最后对地下换热器应用中可能 碰到的其他问题也一一进行了解释。 接着介绍了建筑物能耗的计算方法，并针对实例对某别墅进行了土壤源热泵 和空气源热泵系统的设计和能耗的比较。结果显示，土壤源热泵较之空气源热 泵，夏季节能2 9 1 ，冬季节能更加明显，为4 0 1 ，全年节能约为3 6 2 。 最后，针对关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：地源热泵，优化设计，工程应用 a b s t r a c t a b s t r a c t g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p ( g s h p ) b c a t , a u s eo fi t sg o o de c o n o m i ce n e r g ya n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，h a sa l r e a d yh a dal o to fa p p l i e dp r o j e c ta b r o a d ，b u tt h e d o m e s t i ca p p r o v e st og s i - i pi n e q u i t a b l y i t sm a i n l yr e l a t e dt ol a c k i n gs o i lp a r a m e t e ra n d h a v i n gn om a t u r eo fd e s i g nt e c h n i q u e ，a p p r o p r i a t ee x c a v a t i o nt e c h n i q u ee t c i tc a u s e g s h pi n i t i a li n v e s t m e n th i g h e r t h i sp a p e rp r o c e e d sf r o mt h ec o n s i d e r a t i o no ft h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n dd e s i g n sg s h pi nd e t a i l i ts e l e c t st h em o d e lt os i m u l a t ea n d c a l c u l a t ee n e r g yc o n s u m p t i o no fg s h pa n de x p l a i n si t ss a v i n ge n e r g y i ti n t r o d u c e ss i m u l a t i o no ft h em o d e lf i r s ta n ds e l e c t sm o d e lo fu t y p ep i p et os o l v ei t b a s e do l lo n ep r o j e c t ，i tb u i l d st h es i m p l ee x p e r i m e n ta n dt h es i m u l a t i o nm o d e l i t c a l c u l a t e st h es i m u l a t i o nm o d e la n dc o m p a r e si tt ot h ee x p e r i m e n t p r o v i n gt h ed a t ao f t h em o d e lc a l c u l a t i o na n dt h er e s u l ti sc r e d i b l e t h er e s u l ta p p l i e sp r o j e c ta n dp r o v i d e s t h et h e o r i e sa n dd a t af o rt h ee n g i n e e r i n g f r o mt h er e s u l to fe x p e r i m e n t ，w ek n o wt h a tt h e h e a tt r a n s f e ro ft h ee x c h a n g e rw h i c hi nt h es o i li sr e l a t e dt on o to n l yt h es o i lp a r a m e t e r , b u ta l s ot h ew a t e rf l o wr a t ea n da v e r a g et e m p e r a t u r e t h e ni ta n a l y s e so ft h eo c c a s i o nw h i c ht h eg s h pa p p l ya n dd e s i g n i n gt h es y s t e mo f g s h p i ta l s oi l l u s t r a t e sw i t he x a m p l e t h em o s ts u i t a b l em a t c ho fg s h pa p p l i c a t i o ni s i nt h er e g i o nw h i c hi sc o l di nw i n t e ra n dh o ti ns u m m e r t h eb u i l d i n gt y p eo ft h ev i l l a a n da l lo p e ns p a c e sd i s t r i c ta l s oi ss u i t a b l e w h e nd e s i g n i n gt h es y s t e mo fg s h p , i tc a n c o m b i n ew i t hs o l a re n e r g yh e a t e r 、c o o l i n gt o w e ra n dt h ef l o o rr a d i a t i o ne t c t h i sm e t h o d a p p l i e sp r o j e c ts u i t a b l ya n do p t i m i z e se v e r yd e t a i l f i n a l l yi te x p l a i n sa l lt h eo t h e r p r o b l e m st h a tm a yr u ni n t oi na p p l i c a t i o n i ti n t r o d u c e st h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h eb u i l d i n g se n e r g yc o n s u m p t i o na n d c o m p a r e st h eg s h pw i t ha i r - s o u r c eh e a tp u m p ( a s h p ) a c c o r d i n gt oe x a m p l e t h e e n e r g yc o n s u m p t i o no fg s h p i sl o w e r2 9 1 i ns u m m e ra n d4 0 1 i nw i n t e rt h a na s h p g s h pe c o n o m i z eo ne n e r g yi sa b o u t3 6 2 t h a na s h pt h ew h o l ey e a r i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ，o p t i m a ld e s i g n ，a p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n g l i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 二墓穗撬 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：触主必 “加占年岁月沙日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在贰年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：弋弋岫慕学位论文作者签声妈拳 名： 跏b 年弓月比日沙。锌；月如日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 能源与环境污染问题是当代世界各国面临的重大社会问题之一。能源是现代 社会和生活的物质基础。随着世界人口和经济的迅速增长，能源的消耗急剧地增 加，导致环境的日益污染。我们既要力争使现有的能源获得更充分地利用和防止 大气污染，又要全力探索无公害的新能源。 现在全世界都在大力进行节能、环保、可再生能源等工程技术的研究。目前 全球的主要能源还是煤、石油和天然气。据推算，按照目前的开采速度，已探明 的储藏量最多只能够用2 0 0 年。能源是发展的前提，对其可持续的应用有两个途 径，即开源和节流。虽然风能、太阳能、核能等能源利用发展得很快，但与需求 的增长相比无疑是杯水车薪，因此节能就显得尤为重要。环保是另一个重要的与 之密切相关的问题。环境的污染也主要是能源利用不当造成的。随着社会的发展， 人们对于舒适性的追求也在不断提高，空调应用更加广泛。在一些发达国家，建 筑能耗占总能耗的3 0 - 4 0 ，我国已占到了2 5 左右。其中采暖空调的能耗约 占5 0 - 7 0 。因而，无论对能源还是环境，空调业对其影响都是很大的。n 1 利用地球表面的大气、土地、水中含有的低位热能和工业废热等这些能源还 存在一些技术和经济上的困难，如何利用低位热源成为新课题，热泵在此课题中 将会占有重要的地位。热泵是回收和利用低位热能的有效手段之一，研究和推广 应用热泵技术对于节约能量，提高经济效益，促进生产发展有重要意义。 地源热泵( g r o u n d - - - - s o u r c eh e a tp u m p ，简称g s h p ) 就是随着能源和环保问 题的出现而逐渐兴起的一门技术。它是一种通过输入少量高品位能源，实现低品 位的地能( 如土壤、地下水、地表水等) 向高品位热能转移的热泵空调系统。它 与其他热泵的不同之处在于其冷凝器是通过防冻剂与地能进行换热的。利用“泵 的功能，冬天将地热“取 进建筑物，夏天将建筑物产生的废热“送 回地下。 这种系统不但提高了效率，更提供了一种新的能源形式的利用地能。既开了 源，又节了流。地源热泵按照与地能的换热方式不同分为三类：地下耦合热泵系 统、地下水热泵系统、地表水热泵系统。由于地表水和地下水的利用受到不同程 度的限制，如地下水存在回灌难等问题，因而推广起来比较困难。从长远来看， 土壤源热泵更适合推广和发展。本文主要针对土壤源热泵进行研究，在全年能耗 的基础上对土壤源热泵系统进行优化设计以及能耗的分析，以期对刚刚起步的土 壤源热泵的推广起到一定作用和对现有的工程设计提供一定的理论设计方法。 第1 市绋论 地源热采与其他热泉的币同在于地f 部分，有关地上音| ；分的理论和设计已经 非常成熟了。针z 十地源热泉的研究_ 人多都集中在地下换热器部分。虽然已具有一 定的理论基础，对地下系统全面的设计迹很少出现，这主要是土壤参数的复杂性 和土壤等资料数据的缺乏所致。本文基于前人的理论基础上对地f 部分进行了优 化设计，并对系统进行了能耗分析，希望在系统设计和能耗分析方面有所贡献， 同时也对工程设计提供理论支持。丁程的推广不光要求理论的支持，还要技术的 成熟以及配套拄术的发展，包括合理设计和相关技术的发展。目前地源热泵不能 推广除了人们观念和韧投资等问题约束外，设计技术的不成熟及相关挖掘、施工 安装、配件材料等的约束也占很太原因。地源热泵相关的研究和工程大多建在实 验室，其应用处于起步摸索阶段。本文通过对系统运行能耗分析和优化设计，希 望对实际工程的设计应用有定的指导。无论从理论分析和国外的应片j 情况看， 地源热泵推广对于节能和环保都是有重大意义的。有关资料显示，地源热泵夏天 供玲时比空气源热泵提高效率2 5 ，而冬天供热时更是节能达到4 0 。” 按照我国社会主义建设的实际情况，国家提出的能源政策是“丌发能源与节 约能源并重”；“近期要把节能放在优先地位”。因此，节能技术和利用低位能的 热泵技术必然会在我国得到迅速的发展。随着热泵及其各种驱动装置的研制和熟 泵系统的试验研究工作的开展，热泵技术将在我国得到n 益广泛的应用，在节能 工作中发挥应有的作用。 12 地源热泵系统的简介 地游热泵的基本结构可分为地上和地下两部分。地上部分基本与其它水源热 泵相同，唯一不同2 处就在于地下部分。根据地下换热方式的不同，町以分为水 和土壤两种。与水换热的系统又分为地f 水和地表水两种。其原理简图如图l l 、 l2 和13 所示。 引1l 地r 水系绒 第1 章绪论 幽l3 地杯热泵的水平排布和垂直排靠 与上壤进行换热的系统我们通常称为土壤源热泵，就是在地表以下埋减若干 段长寿命、高强度的塑料管道，管道里循环的水或防冻剂溶液，在冬季从上壤里 吸收热量传递给热泵，在夏季将热量从热泵传递叫土壤中去。这些塑料管道相当 于是个地下换热器。它可以分为垂直埋管和水平埋管两大类，其中垂直埋管又 可以再分为u 型管式、套管式( 同心式) 、桩埋管等：水平埋管又可分为管、 四管、六管等。另外根据防冻剂流动方式的不同还可以分为串联和并联。其原理 示意图如图l4 所示。” 幽14 地源热泵的其它多种排布形式 与空气源相比，十壤作为热泵机组的热源有着很多优点： ( 1 ) 土壤的温度波动小，一般认为，j m 以下的土壤温度是不随大气温度变 化而变化的，全年保持恒定温度。因此其温度在夏季低于大气温度，冬季高f 大 气温度，理论上可以大火提高机组的效率。 ( 2 ) 土壤有定的蓄热性。夏季释放的热量町以冬季取出用，并可反复进 行。研究表明越是长期运行，此效果越是明显。 ( 3 ) 室外宅l 的状态参数随地区和季竹的不同而变化，对卒气源热泵的容 量和制热性能系数影响很大。当审外温度很低，耍求供热量很人时，热泵供热世 第1 章绪论 与建筑物耗热量之间发生供需矛盾。室外温度愈低，热泵的制热性能系数就愈低。 当室外换热器表面温度低于空气露点温度，并且低于o c 时，空气中的水分在换 热器表面就会凝结成霜。致使空气源热泵的制热性能系数和可靠性都会降低，土 壤源不存在这个问题。 从应用的实际情况来看，土壤源也存在许多缺点： ( 1 ) 地下换热器换热量随土壤物性参数不同，有很大变化。不易准确把握。 另外土壤的换热量也比较小。约在2 0 一- - 8 0 w m ( 垂直埋管) 和1 5 ，- - - 3 0 w m ( t k 平 埋管) ，因而所需换热管的面积比较大 ( 2 ) 长时间运行时，机组运行工况会随土壤温度变化而波动。 尽管土壤源热泵还存在上述不足，但总的来说是一项节能的技术。随着其工 程开发应用的不断完善，针对我国的具体情况，在合适的地区应用土壤源热泵， 还是有很大的前景和市场的。 1 3 国内外研究现状及发展动态 瑞士人z o d l y 早在1 9 1 2 年就提出有关地源热泵的应用思想。二战后出现了 第一个研究高潮，主要是在欧美等国进行的关于地下换热器的理论研究。1 9 4 8 年i n g e r s o l l 和p l a s s t i 提出了线源理论。当时并没有引起人们的重视。人们对地 源热泵重新产生兴趣是在一次的“能源危机之后。1 9 7 4 年欧洲进行了多方面 的研究，瑞典安装了1 0 0 0 多台，德国也有许多，但这时的工程都是用来供暖的， 而且都是用的水平埋管。1 9 7 7 年美国许多国家实验室也开始着手研究，这一时 期的主要的工作是对地下换热器建立数学模型并进行数值模拟。1 9 8 6 年v c m e i 提出三维瞬态远边界传热模型，它是建立在能量平衡的基础上的，用此模型对大 地温度场进行模拟，计算结果和实测吻合很好。上世纪9 0 年代以来，其研究热 点依然集中在埋地换热的传热机理、强化传热及与地上热泵系统的匹配问题，同 时也开始进行回填材料的研究。有关系统的仿真优化和最佳参数匹配都是最新的 研究动态及核心课题。 我国对于地源热泵的研究起步较晚，从已经有的文献来看，我国最早的研究 开始于1 9 8 9 年，由青岛建筑工学院建立了第一个土壤源热泵的实验台，对水平 和垂直埋管进行了研究。差不多同时天津商学院高祖锟等也对螺旋管地下换热器 进行了研究。9 0 年代开始，华中理工对水平单管和地下浅层井水供冷供热进行 了研究。1 9 9 8 年湖南大学开始对多层水平埋管换热情况研究。1 9 9 9 年我校张旭 老师等对长江中下游等含水较大的地区的土壤蓄热性进行了研究。与此同时，重 庆建筑大学的刘宪英等对浅竖埋管换热器进行了研究，还建立了传热模型和开发 4 第1 章绪论 了相应的计算程序，可对连续和间歇运行时大地温度场和地下换热器换热能力进 行计算。 近年来，针对地源热泵的研究除了地下换热器的模型进一步精确外，很多的 研究都转向了仿真、外界条件的影响、优化、工程应用等。以期对地源热泵的推 广做好理论和技术的铺垫。其中浙江大学的李阳春、陈光明对水平埋管、垂直埋 管、套管模型进行了计算机计算并从技术和经济方面与空气源进行了比较，提出 了地源热泵辐射地板联合系统的概念。天津大学汪洪军、李新国建立了模拟水 源热泵机组运行过程的稳态数学模型，并对典型运行工况下模拟结果与实验结果 作验证通过分析土壤源热泵系统各个部分的内在耦合关系，结合工程应用特点 对系统进行了全天仿真。h 叫伽 1 4 本文所研究的内容 在查阅了大量国内外相关资料的基础上，本课题主要是基于前人所做地下换 热器的模型的基础上选取一个地下换热器系统的模型进行模拟计算，同时建立实 验台进行模拟计算和验证，从而说明模拟设计的可行性，模拟数据可作为优化设 计的理论依据。在有限的土壤数据条件下，对地下换热器系统进行了优化设计， 得出系统在全年运行条件下的能耗，并与空气源热泵进行了比较。由于垂直埋管 有很多优点，在有关方面受限制比较少，便于推广，因此本文所研究的主要是针 对垂直埋管。有关数据通过实验验证后可作为工程设计的理论依据。按照目前的 地源热泵的设计情况来看，地下部分的设计还没有一个可靠的和全面的设计过 程，一般借助文献中或根据实验得出的一些经验数值选取和估算，通常是取下限 值，以保证有足够的余量。这种设计受不同土壤、不同天气等参数的影响很大， 实际安装后往往会偏离最初的设计值。从而使系统不能达到最佳运行状况。因而 地源热泵不能达到最终的省钱节能环保目的。 本论文研究内容主要包括： 1 地下换热器模型的选取和理论计算 2 计算机数值模拟 3 与实验的结果进行比较验证 4 根据有限的土壤参数和现有的数据对地下换热器进行优化 5 全年运行的能耗分析 5 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 第2 章地下换热器模型的选取及理论和模拟计算 2 1 模型情况介绍 2 1 1 仿真的概念 简单来说，仿真就是模型去模拟某个研究对象，完成某种实验，其实仿真也 就是模拟。在实际系统的分析、综合、设计时，除了理论研究外，实验也往往很 重要。实验可以分为两种：一种是在实际系统上进行，按照相似定律搭建一个与 实际工程相似的实验台进行实验研究，得到需要的结果。另一种是虚拟的，就是 建立系统的数学模型，用计算机数值计算的方法进行求解。因为搭建实验台做实 验研究往往不安全也不经济，有时甚至是不可能的。因此人们越来越多的使用模 拟代替真实系统做实验，这就是所谓的仿真。 无论是建立物理的真实模型进行实验，还是用计算机进行数学模型的计算， 都是要与真实的系统进行比较验证的。两者接近，说明模拟的可靠性高，其他类 似系统也可以进行模拟，而且我们可以根据不同的结果进行优化设计。从而提高 优化和开发的速度。在建立真实的物理模型时，花费巨大，工作周期长，无论是 经济性还是实用性都受限制，而随着计算机的发展，无论硬件还是软件，速度还 是精确度，都是比较好的，而且经济性也比较好。因而现在所说的仿真通常都是 指计算机进行的。 应用计算机仿真一般是先建立实际系统的数学模型( 通常是一组微分或差分 方程) ，然后对模型进行分析求解( 通常用数值的方法进行) ，最后后用计算机来 解这个数学模型。一般计算机仿真要经过以下几个步骤： 1 建立系统的数学模型。针对不同的系统条件采用不同的模型，例如：热力 系统动态仿真多采用偏微分方程。比如在进行制冷系统四大件的模型建立时，采 用不同的压缩机，就会有不同的数学模型。 2 将已建立的数学模型进行求解。模型通常是非线性的微分方程，要在计算 机上计算，就应将其进行简化和离散。通常采用有限差分的方法建立代数方程， 联立求解。 3 在计算机上用软件编写相应的计算程序进行计算。目前常用的计算机语言 有v c + + 、m a t l a b 、v b 等都可用做仿真计算。 4 对仿真模型进行验证和修改。修改涉及到实际系统、数学模型、模型求解 6 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 方法、计算程序。这几个环节是先后相关的，就是前面的修改会对后面的产生影 响。在模型的校验中，通常求解的方法是很重要的。哺 8 1 随着计算机技术的不断发展和专业软件的不断开发，很多专业性的软件都有 现成的模型提供给用户，而不需要用户再重新编写，用户只要选择合适的模型， 并且设定相应的输入条件，就可以进行模型的求解，从而得到输出参数。现有的 软件如进行制冷系统模拟的c o o l p a c k ，对空调系统进行模拟的t r n s y s ，对能 耗进行模拟的d o e 2 等等。 2 1 2 系统模型的简介 系统的计算机仿真可分为稳态和动态仿真。制冷系统也是一样。稳态仿真与 时间无关，是反映某一稳定工况条件下，制冷装置各部件以及与制冷剂之间的匹 配关系，常用于研究系统优化设计及合理匹配，例如制冷剂替代，部件的合理设 计和参数分析。动态仿真是实时模拟系统的变化状况，常用于研究能耗和控制策 略，例如系统的启停过程、除霜过程和环境变化时系统的特性。当动态仿真中时 间参数为常数时，也就是稳态仿真了。所以稳态仿真是动态仿真的特例。在开始 的研究中，为了便于计算，大都用稳态仿真。随着计算机技术的发展和人们对精 确度要求的提高，动态仿真越来越得到人们的青睐。动态仿真能够更准确的反映 系统真实的运行状况。 l 稳态仿真的研究 e l l i s o n 和c r e s w i c h ( 1 9 7 8 ) 建立了热泵的稳态数学模型，对系统的匹配进行了 优化。r i c e e t a l ( 1 9 8 1 ) 在对其进行了改进，可以在其余参数设定时优化某一参数。 并计算最大c o p 值。葛云亭( 1 9 9 5 ) 采用分布参数式的方法用压力、能量和质量平 衡条件建立了各部件的模型( 没有压缩机) 。得到了制冷量、压缩机功耗、c o p 等 随室内、外空气参数变化的曲线。还有其他许多模型，稳态模型简单、计算量小、 约束条件多，只能计算某一特定工况下的性能，不能普遍应用。 2 动态仿真的研究 制冷系统的动态特性的研究，从已发表的文献上来看，开始于7 0 年代末。j c h i 和d d i d i o n ( 1 9 8 2 ) 采用集中参数法对各个部件建立数学模型，用一阶微分方程描 述制冷剂在单相和两相时热量、质量以及动量的传递，运用欧拉方程求解。 m a c a r t h u r , j w ( 1 9 8 4 ) 对换热器进行了网格划分，研究了系统的分布参数特性， 将两相流作均相流问题考虑，提出了蒸气压缩式热泵的动态分布参数模型。周亚 素( 2 0 0 1 ) 用水箱模型建模的方法，通过分析各部件的内在关系和质量、能量守 恒原理，建立了系统动态数学模型。丁国良和张春路( 2 0 0 2 ) 应用基于模型的智能 方法做了仿真，将经典数学模型同神经网络等人工智能方法结合起来进行仿真。 7 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 3 埋管模型的研究 目前，针对垂直地下换热器的模型有很多，主要是研究土壤周围的温度 变化，大都属于典型的三种情况：线热源模型、圆柱源模型和e s k i l s o n 模型。 线热源模型是将地下埋管作为恒定热流的无限长线热源，模型比较简单，只 能近似模拟土壤传热过程，但很难解决地下换热器设计中的问题，例如埋管换热 器管长、换热器进出口温度的影响等。圆柱热源模型，假设与线热源模型相同。 只是把u 型埋管的两管看作一个当量单管，当量直径为d - 4 2 d 。b ( 其中d 为u 型 埋管的直径，b 为两管间距) 。它比线热源模型更符合实际，可以求得管内流体平 均温度以及进出口温度，可用于地埋换热器的设计。e s k i l s o n 模型把钻孔内的热 阻分为三部分：两管脚之间的热阻和每个管脚到钻孔壁的热阻，三者之和构成总 热阻，钻孔内传热认为是准稳态传热过程。该模型考虑了钻孔深度的影响，因此 比前两种模型更加准确。但是求解过程更复杂。n 卜嘲 2 2 地下换热器模型的选取和求解分析 由于是整个系统的仿真计算，因而考虑既能符合工程实际的设计要求，又要 使计算简单、计算量小，选取圆柱源模型进行计算。并按照文献【1 】中把导热过 程看作流体、埋管、回填土和土壤之间进行。为了简化计算，做如下假设： t 地下换热器的导热为沿径向和垂直方向的二维导热； 2 忽略土壤中水分的影响； 3 土壤的热物性参数为常数； 4 忽略埋管、回填土和土壤间的热阻； 5u 型管当量直径d 一4 2 d b ( 其中d 为u 型埋管的直径，b 为两管间距) ； 6 土壤初始温度恒定均匀； 7 埋管内流体同一截面的温度、速度分布一致； 8 单一埋管研究，存在某一远处的绝热边界； 9 忽略埋管顶部和底部的的轴向换热。 对于土壤的初始温度，根据文献【2 0 】，不同时刻、不同深度的土壤温度可以 由下式计算： t g ，f ，= t m + a e x p 一z ( 主) u 2 c 。s 等( f 一一乏( 刍) u 2 ) c 2 - ， 式中：z 土壤距地表面的深度，mo t 温度的计算时刻，s ； t 。( z ，t ) t 时刻深度为z 米的土壤温度，； 8 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 t m 地表平均温度，； a 地表温度的波动幅度，； 口土壤的导温系数，口一，m 2 s ； 阻p t 土壤波动的周期，s ；t = 3 6 5 2 4 3 6 0 0 = 3 1 5 3 6 i 0 7 s ； t 。温度波动时最高温度出现的时刻，s 。 根据中央气象局中国地温提供的各城市的有关参数可按照上式进行 计算。地下换热器计算的模型结构示意图如下： 2 2 1 微分方程 k 言壁回填土土考 地表面 | p q 5 石再k k x k kq 饼梢 荔叩 t f n - - _ - n r 毳 妻 “ 萎沁 i t 一 z 图2 1 地下换热器计算模型结构示意图 管内流体的传热微分方程： 一0钇t+忙2apu r o 万生o ri i r a = 斋 一 弋一i = 上 a z l 忡p l f a t 管壁的导热微分方程： 一a 2 t p + ! 丝+ 坐：土丝 o r 2r 打a z 2 a p a t 回填土的导热微分方程： 盟+ ! 堕+ 盟；三堕 o r 2厂o ro z 2 a b a f 9 r r o ) ( 2 2 ) ( r o ，s ，1 ) ( 2 3 ) ( r l 厂主r b ) ( 2 4 ) 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 土壤的导热微分方程： 鲁+ 三誓+ 襄，芝 k ，5 ) ( 2 5 ) a r 。，a 厂a z 2 a a f 、”37 2 2 2 初始条件 z o ，t ，t f p = 气= f ，；f 蒯( t s o a 为土壤的初始温度) ( 2 6 ) 2 2 3 边界条件 1 管内流体与管壁的交界： o p - t f ，。刮，n u2 a - - ，。l ，n u - 0 0 2 3 r c o 8 p r “ 其中：加热时n = o 4 ；冷却时n = o 3 。 流体的换热过程是紊流状态，设计时应该保证一定的流速。 2 管壁与回填土的交界： 割 。气乳 铲气 3 回填土与土壤的交界： 九乱t 磅l 4 土壤的某边界： 丸剖 5 换热器底端： t s - 气 t i1 t | o i l t i 岛z ) 一f 触p ) z - - 1 6 换热器顶端： t 似z = o ) ；f 伽一) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 上面的式子中：u 为管内流体流速，m s ；z 为深度方向坐标，m ；l 为埋管 深度，m ；t 表示温度，；九为导热系数，w ( m k ) ；r 表示半径，m ( 不同 的半径如图2 1 所示) ；p 为密度，k 咖3 ；c p 为比热，j ( k g k ) ；口为导温系数， r n 2 s ；t 为运行时间，s ；h 为流体和管壁换热系数，w ( m 2 k ) ；下标f 、p 、b 、 s 分别表示流体、埋管壁、回填土、土壤。 1 0 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 2 2 4 分析求解 应用容积积分法对微分方程进行离散( 用显式格式) ，可以得到相l 司的数值 解格式： 钆。气瑶+ 缸 4 旺一吃) + 句船一瑶) + a 奴一名) + 4 垤一z ) j ( 2 1 3 ) 上非4 = 焉向一最a 一蕞 4 一右薏厶一江l a v a v = 毋z ( 2 1 4 ) 其中：上标n 表示t 时刻的值，n + l 表示t + t 时刻的值；下标m 表示当前 计算的单元格，e 、l 、n 、s 表示相邻的单元格，如示意图2 2 1 式( 2 1 4 ) 中九 为导热系数，f 表示半径，d r 表示r 方向单元格i 日- 1 距或宽度；a z 表示z 坐标方 向单元间距或宽度。t 、d r 、z 可根据计算精度的需要进行变化。 n r e 一 i m x ， v 缀缀 e 嗡 7 r v 一 - i s o r 一 图2 2 计算单元格示意图 、 由上面的求解过程可以看出，在求解的过程中，需要输入以下参数： 1 埋管的密度、比热、导热系数、长度、直径、壁厚和深度； 2 土壤和回填土的密度、比热和导热系数； 3 流体的密度、比热、流速和进口温度； 4at 、d r 、a z 。 输出参数：流体的出口温度、埋管的换热量和热作用半径。1 8 1 1 1 呻 2 1 3 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 2 3 某工程地下换热器实验测试和模型模拟计算 为了得到不同工况下地下换热器的换热情况，保证工程计算的准确性，对某 工程的地下换热器按照上述模型进行了模拟计算，同时搭建实验台进行测试，并 将所得结果相比较，测试的详细数据详见附录a 。模拟计算的详细数据见附录b 。 2 3 1 实验台情况简介 图2 3 为实验台的示意图，房间内设置可调加热器，针对不同的加热量，同 时调节不同的循环水流量，使房间的加热和地下的散热保持平衡，测试系统启动 工况和平衡后工况地下换热器的散热情况以及进出水温度的变化。房间加热器的 热量通过与风机盘管换热，再与水进行换热，直接散到土壤中。 温度计 风机盘管 图2 3 测量实验台的示意图 实验台测试的为一个桩基的埋管，埋管的深度为4 0 m ，采用的是双u 型管， 分别分布在桩的四边，总管长为6 4 0 m 。双u 管的间距为0 9 m ，桩基间的距离为 9 m 。四个双u 管采用并联的方式。 2 3 2 实验数据和模拟数据的比较验证 总共对实验台进行了五天的测试，其中1 1 月7 日和8 日为连续运行，晚间 的数据受条件限制未进行记录，得到了启动工况和平衡工况下，不同加热量、不 同流量时埋管的进出水温度的变化和散热量。对埋管的散热能力进行了分析。 图2 4 - - 2 1 1 为所有测试和模拟数据示意图，其中温度和散热量的计算以水 侧为准，因为受到测试条件的限制，风侧不能保证测试的准确性。所测桩埋管的 单根桩的散热情况。由图中可以看出，当散热量一定时，其最终都会恒定在某一 温度，随着运行时间的继续延长，温度略有上升，散热量越小，最终恒定的温度 1 2 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 越低，模拟的桩埋管出水温度( 风机盘管的进水温度) 和实测的比较接近，说明 当建立可靠模型时，可以用来代替实验情况，以减少实验的工作量，可以利用模 拟计算的数据，为设计计算提供理论和数据的依据。如果有条件的话，可以利用 计算机模拟来进行设计计算，从而提高设计的准确性。 苄= 若二硒一一 尹严掣。， ( ：p! p 7 ， 一b 己1 r r ，r - 画 1 尸。t t ” 毡，广：二一一r l _ | l 厂气一 l1 6 i ，一 爿户。 一 侈 彩彤 + 进水温度 + 出风温度 + 出水温度 + 房间温度 1 51 61 7 时间 + 进风温度 d 一模拟进水温度 图2 41 0 月1 1 日测试和模拟数据示意 r - 厂，k。* 叫 1 i i 。 苌 | 9l o1 l1 21 31 41 51 6 时间 * 一水侧冷量 图2 5i 0 月1 1 日计算取冷量 测试的参数有埋管水的流量、埋管水进出口温度、风机盘管进出风的温度、 风量等参数、房间温度，其中风侧的参数用于参考，测试所得的冷量以水侧为准。 1 3 融韶船舶必铊船驺弘驼鹦舱丛毖 毗9 8 7 6 5 4 3 2 l o 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 ( 其中风量的测量是通过风速和盘管的尺寸得到) 图2 4 和2 5 为1 0 月1 1 目的测试值和计算值。测试时，埋管水的流量为 1 2 m 3 h ，由于第一次测试加热量远远大于风机盘管的额定容量( 风机盘管的额 定容量为5 k w ，使热量一直得不到散发，因而房间温度一直上升，没有达到平衡 状况，在测试结束前- - + 时关闭加热器，同时对所有的参数进行了两次测试。观 察其散热情况。图中可以看出，启动工况下，散热量一度达到8 k w ，稳定后，其 散热基本维持在7 k w 左右，即单位管长的散热量约为1 1 w m 。普通单u 型埋管通 常散热量介于2 0 - 5 0 w m 之间。由此可见不同的埋管方式和散热情况对散热量的 影响很大，一味的取经验值进行设计计算会使设计变得很不合理。 91 0l l + 进水温度 卜出风温度 图2 61 0 月1 3 日测试数据示意 1 61 71 8 时间 + 进风温度 + 模拟进水温度 91 01 1 1 21 31 41 51 61 71 8 时间 * 水侧冷量 图2 71 0 月1 3 日计算取冷量 1 4 船 弘 弘 船 鲫 嬲 孙 孔 毖 约 嵋 鑫酸水问出房 坞 j 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 图2 6 和2 7 为1 0 月1 3 日的测试值和计算值。测试时，埋管水的流量为 1 2 m 3 h ，房间温度由开始的2 5 5 。c 最终平衡在3 4 5 。c 左右。图中可以看出，启 动工况不到一个小时，随后散热量稳定，其散热基本维持在4 k w 左右，即单位管 长的散热量约为6 3 w m 。 1 0l l1 21 31 41 5 + 进水温度+ 出水温度 + 出风温度_ i 卜房间温度 1 61 71 8 时间 + 进风温度 一一卜模拟进水温度 图2 8i 0 月2 5 日测试数据示意 9l o 1 1 1 21 31 4 1 5 1 6 1 71 8 时问 * 水侧冷量 图2 91 0 月2 5 日计算取冷量 图2 8 和2 9 为1 0 月2 5 日的测试值和计算值。测试时，埋管水的流量为 1 2 m 3 h ，房间温度由开始的2 1 最终平衡在2 7 。c 左右。图中可以看出，其散热 1 5 嬲 ；| 号 丛 盟 蝎 5 4 3 2 l o 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 基本维持在2 k w 左右，即单位管长的散热量约为3 2 w m 。此测试工况说明，当 维持房间温度为2 7 c 时，地下换热器可以提供2 1 k w 左右的热量，而不用制冷 机组。 + 进水温度 _ 峥一出风温度 + 出水温度 + 房间温度 + 进风温度 + 模拟进水温度 图2 1 01 1 月7 日和8 日测试数据示意 图2 1 11 1 月7 日和8 日计算取冷量 1 6 6 4 2 o 8 6 4 2 o 8 3 3 3 3 2 2 2 2 2 l 第2 章地下换热器模型的选取以及理论和模拟计算 图2 1 0 和2 1 1 为1 1 月7 日和8 日连续两天的测试值和计算值。测试时，7 日埋管水的流量为0 5 5 m 3 h ，8 日埋管水的流量为o 3 5 m 3 h ，房间温度由开始的 2 2 3 最终平衡在3 3 3 左右。图中可以看出，7 日散热基本维持在1 4 k w 左右， 8 日散热基本维持在0 8 k w 左右。 由上面的图比较可以看出，地下换热器的换热能力除了与土壤的物性参数有 关外，还与埋管的水流量和房间温度有关，流量越小，其散热量越小。当运行稳 定后，流量从0 5 5 m 3 h 变为0 3 5 m 3 h 后，散热量从1 4 k w 变为0 8 k w 。而在同 样的流量情况下，房间平均温度从3 4 5 变为2 7 ( 2 时，散热量从4 k w 变为2 k w 。 因而由经验值来进行设计计算会有很大差别。而通过土壤的散热，埋管水温度恢 复也很快，图2 4 所示，1 0 月1 1 日当停止加热器时，埋管进出水平均温度接近 4 2 ，而1 3 日再测试时又恢复到初始的2 0 左右。 模拟计算时，采用的步长为半小时，与测试间隔时间基本相同，水的比热取 4 1 8 k j k g k ，密度取1 0 0 0 k g m 3 ，土壤的比热取1 0 5k j k g - k ，密度取1 8 7 4 k g m 3 ， 土壤的导热系数取0 8 6 w 如k ( 土壤的参数由公司提供) 。土壤的初始温度按 照1 7 进行计算。 2 4 本章小结 本章主要是对仿真的情况和仿真模型的情况进行了介绍，同时对u 型埋管的 模型进行了选取和求解。利用某工程搭建了简易实验台对桩基埋管进行了测试， 同时建立模型进行了模拟计算，对测试结果和实验结果进行了比较验证，说明所 建模型的可靠性，同时也证明模型计算的数据结果可以为工程应用提供理论和数 据的依据。从测试的结果看，地下换热器的散热情况除了跟土壤物性参数有关外， 还与埋管水流量和平均水温有关。啦】 扑绷 1 7 第3 章地下换热器在工程中的优化设计和应用 第3 章地下换热器在工程中的优化设计和应用 土壤源热泵的设计关键是地下部分，而设计前埋管的管材和管径等都应该 选定才能进行。土壤源热泵的实验研究相对起步较晚，大约在七八十年代。九 十年代才慢慢转向应用。由于各地土壤的成分不同，相对比较复杂，资料也不 够全面，到目前为止，很多的设计都是凭经验进行。大多是根据经验估计选取 一个换热能力，然后根据换热能力计算管长。这种设计全凭经验进行，有时只 能是取偏低值，造成最终设计的不合理，初投资增大。同时这个换热量受很多 因素