（制冷及低温工程专业论文）土壤源热泵埋管换热及系统能耗分析.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。 本文基于经典的常热流线热源理论，将叠加原理、阶跃负荷及孔洞热阻思想 融入其中，并以上海地区的某厂房为例，分析了一种可用于变热流埋管换热与 地源热泵系统模拟的变热流线热源模型，并与常热流线热源模型进行比较，为 地源热泵地下埋管换热器的设计计算及地源热泵系统的模拟提供了一种新的简 单而又实用的计算方法。 在地热换热器设计中，介绍了地下负荷的确定、地下换热器的不同形式及布 置方式、埋管尺寸、材料及防冻液的选择，通过计算埋管及土壤的当量热阻， 利用全年温频并根据不同的热泵冷却水的进水温度来确定所需埋管长度；在埋 管长度不确定性分析中，利用经典的不定性分析法测定每个参数的单个不定性 因子如何合成总体不定性值，重点分析了土壤热扩散率、土壤导热系数、土壤 的年平均温度、回填材料导热系数及管壁导热系数的不确定性对于总体埋管长 度的影响，可以为工程实际的经济性提供一定的参考。 最后，以上海某别墅为例，先通过d e s t 计算出建筑负荷，再通过其内置的 气象参数结合b i n 温频系数法计算出土壤源热泵系统的全年能耗，并与空气源 热泵系统进行对比分析，得出运用土壤源热泵相对与空气源热泵而言是一种降 低系统能耗的选择。 关键词：土壤源热泵，埋管换热，不定性分析，能耗 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 e c 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 v ea l r e a d yh a dal o to fa p p l i e dp r o je 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 h pn o tj u s t ，m a i n l yi st h er e l a t e ds o i lp a r a m e t e rl a c ka n d h a v en om a t u r eo fd e s i g nt e c h n i q u e , a tt h es a m et i m er e l a t e de x c a v a t i o nt e c h n i q u ee t c h a v en ok i t ，c a u s i n gg s h p b e g i n n i n g si n v e s t m e n th i g h e r i nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r , ak i n do fv a r i a t i o n a lh e a tf l e wm o d e lw h i c hc a nb e u s e di ns i m u l a t i o no fi m b e d d e dp i p eh e a te x c h a n g ei sa n a l y s e d ，a n di su s e dt o c o m p a r ew i t hi n v a r i a b l eh e a tf l e wm o d e li no r d e rt op r o v i d ean e ws i m p l ea n d p r a c t i c a b l ym e t h o di nd e s i g no ft h ei m b e d d e dp i p eh e a te x c h a n g eo fg s h et h e v a r i a t i o n a lh e a tf l e wm o d e li sb a s e do nt h ec l a s s i c a lt h e o r yo fi n v a r i a b l eh e a tf l e w m o d e l ，a tt h es a m et i m et e r r a c ea d d i t i o nt h e o r y 、s t e p sl o a da n dh e a tr e s i s t a n c eo f b r o a c ha r ea l lc o n s i d e r e d t h ea n a l y s et a k eaw o r k s h o pi ns h a n g h a ia sa ne x a m p l e i nt h ed e s i g no fe d a p h i ch e a t e x c h a n g e r , m a n yf a c t o r s a r ec o n s i d e r e d ： c a l c u l a t i o no ft h el o a di nt h es o i l ，d i f f e r e n tk i n d so fe d a p h i ch e a te x c h 锄g s i z eo f t h ei m b e d d e dp i p e ，m a t e r i a lo ft h ep i p e ，s e l e c t i o no fa n t i f r e e z e t e m p e r t u r ef r e q u e n c y i nw h o l ey e a ra n dt h ei n c o m i n gw a t e rt e m p e r a t u r eo ft h ec o o l i n gw a t e ro ft h eh e a t p u m pa r eu s e dt oc a l c u l a t et h el e n g t ho ft h ei m b e d d e dp i p e ；i nt h ea n a l y s eo ft h e i n d e t e r m i n a c yo ft h el e n g t ho ft h ei m b e d d e dp i p e ，t h em e t h o do fa n a l y s eo ft h e i n d e t e r m i n a c yi su s e dt os e eh o wm u c he v e r yf a c t o rp l a yar o l ei nt h ec a l c u l a t i o nt o t h ef i n a l l yr e s u l t a tl a s t ，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 e b u i l d i n g se n e r g y c o n s u m p t i o na n dc 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 g t oe x a m p l e k e yw o r d s ：g s h p , i m b e d d e dp i p eh e a te x c h a n g e ，a n a l y s eo fi n d e t e r m i n a c y , e n e r g y c o n s u m p t i o n i i 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：尔厶啐 二口口t 年二月l e l 同济大学学位论文原创l 生声明 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 签名： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 能源和环保是人类生存和发展的两大主题，是全球关注的问题。建筑节能 是贯彻可持续发展战略的重要组成部分，是执行国家节约能源、保护环境基本 国策的重要措施，是世界建筑发展的大趋势，也是今后建筑技术发展的重点。 建筑能耗以供热采暖和空调能耗为主，降低供暖空调系统的能耗、节约能源 和减少冬季采暖所造成的大气污染是建筑节能的重点。水地源热泵系统通过吸 收大地的能量，包括壤、井水、湖泊等天然能源，冬季从大地i 吸收热量，夏 季向大地释放热量，再由热泵机组向建筑供冷供热。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 回土l 要下。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。地源热泵与其他热泵的不同 在于地下部分，有关地上部分的理论和设计已经非常成熟了。针对地源热泵的 研究大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 全面的设计还很少出现，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。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一定 的指导。无| 从理论分析删阳外的心用情况再，地源热泵摊j 埘_ f _ _ 协能干环保 部足有重大意义的。有天资料皿不，地源热泉世天供冷叫比窄气源热泵提高效 率2 j ，m 冬天供热时巫是竹能达到4 0 1 * 。h 自2 0l r ：纪9 f j 年代后期，水地源热泉技术存我同的研究和麻有rk 足发 展，i l 沦和实验研究非常沂跃，i 。程眦用逐年增加，尤其是- h i l 政府_ f 【| 美田政 府将地源热泵窄调技术纳入曲幽能源效半和可冉p 能源合作琐h ，促进了这一 技术的国际合作和推广心用。随着同内水地源热泵| j 场的迅述发饿，我曰也陆 虫推了系列的相关政策沾规。h 盏埔长的f l 场需求和鼓础性政策法规的推 动，势必使得我目的水地源热泵系统应用更加j 泛。 12 地源热泵系统的简介 地溉 热泵的基本结构；口分为地上和地r 曲部分。地l 部分j 奉，儿它水源热 采相同，唯一小，日之处就存于地下部分。根据地f 换热 ，的小同，- 咀分为 水和j 壤曲种。与水换热的系统义分为地fj k i 地收水阿种。址原蝉简罔圳矧 il 、l2 , fl i1 所小。 hi ll l 、水系统h 12 地牝小系统 与1 ：壤进行换热的系统我们通常称为r 壤源热泵，就址存地裘以刚# 臧若 l 段k 斯命、一确性度的塑料街道， j 进n 确环的水或i 计珠制溶液，九r 冬季从十 壤t 政收热 1 递绗热采，舟夏母将热特从热泉化递川1 壤一 一_ 、。这些燃料管 道州当。址。个地f 换热措。它可以分为睡n _ 1 | ! 管和水、l ，钙凡樊，其r 垂 1 p 一，义i - j 以n 分为l ，弘管式、窭 t ，、 】ir 埋铽+ 等；水下土i | ! 1 1 义一t 分为一管、 i 圳管、人管锊。 外般州防冻刑流动 ，t 的小嗣迁一u 以分为串联羽川- 联。】蟓 理日；意h f 【f | h l 所q i 。 目13 地徘热泉的水、l 排布和币： l 排弗 【划【4 地渊热裂的托e 多种于| 【= 布形， 与空l 谳棚比，十壤作为热泉机“【旧热源札右 旺多优i ： ( i ) 1 壤的温度波z 山小，肢认为，5 m 以l 、的_ | 域温度是不随人l 温度变 化而变化的，个年保持恒定濉度。冈此其温度n ：夏季低j 大气温度，冬乖高j ： 人7l 濉度，j q 沧1 川以人大捉0 机g 【的赦：钲。， ( 2 ) j 壤订定的持热。旺季释：1 5 ( 的热b 可以冬币取h 1 ，行- - j j 趸复进 仃j 。宄裘】越址k 川远行，此效粜越足【州。 ( ) 审外，7 “阿状态参数随地【蔓耵i 平竹的不问m 变化，对1 ，70 溺热泵的样 j 和制热卅能系数影响微，、1 审外濉馊f 低，监球供热j f 小大州，热泉供热 * ，建筑物牦热： 之【i j 发牛“i i 衍所。室外濉瞍愈低，热采的制热性能系数就 愈低。“1 审外换热器表1 f | 1 黼嫂低j 审71 哦- - 濉发，外f 1 低c 1 叫，- ，勺0 水 分化损热器农就会凝绌成“i 。致使，7l 洲! 热泉f h ；| j l _ 热r l ：能乐数和川似n 鄙会 i 锋低，r 壤泓仔n 返个t q 世+ 从心川共际4 陆抛求听，i 壤泺世仃 1 7 _ = 彩缺j _ ： 第一章绪论 ( 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 - - - 8 0 w m ( 垂直埋管) 和1 5 - - 一3 0 w m ( 水平 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 e u 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， 同时也丌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埋地换热 器进行了研究。9 0 年代丌始，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 年湖南大学丌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。 4 第一章绪论 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、工程应用、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，提出了地源热泵一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。口叫刀 1 4 本文所研究的内容 ( 1 ) 基于经典的常热流线热源理论，将叠加原理、阶跃负荷及孔洞热阻思想 融入其中，并以上海地区的某厂房为例，分析了一种可用于变热流埋管换热与 地源热泵系统模拟的变热流线热源模型，并与常热流线热源模型进行比较，为 地源热泵地下埋管换热器的设计计算及地源热泵系统的模拟提供了一种新的简 单而又实用的计算方法。 ( 2 ) 在地热换热器设计中，介绍了地下负荷的确定、地下换热器的不同形式 及布置方式、埋管尺寸、材料及防冻液的选择，通过计算埋管及土壤的当量热 阻，利用全年温频并根据不同的热泵冷却水的进水温度来确定所需埋管长度； 在埋管长度不确定性分析中，利用经典的不定性分析法测定每个参数的单个不 定性因子如何合成总体不定性值，重点分析了土壤热扩散率、土壤导热系数、 土壤的年平均温度、回填材料导热系数及管壁导热系数的不确定性对于总体埋 管长度的影响，可以为工程实际的经济性提供一定的参考。 ( 3 ) 以上海某别墅为例，先期通过d e s t 计算出建筑负荷，再通过其内置的气 象参数结合b i n 温频系数法计算出土壤源热泵系统的全年能耗，并与空气源热 泵系统进行对比分析，得出运用土壤源热泵相对与空气源热泵而言是一种降低 系统能耗的选择。 第二章地下换热器模型的选取及理论和模拟计算 第二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 地下埋管的换热研究，目前主要有三种常用分析模型：线性源模型、圆柱 热源模型、三维瞬态远边界传热模型。 圆柱热源理论比较适合大管径、长时间运行的系统。由于土壤换热的复杂 性，很难用数学表达式精确表示，所以至今还没有得到一个非常精确的地下盘 管换热模型；三维瞬态远边界传热模型是建立在能量平衡的基础上，该模型描 叙了钻孔内各部分的传热过程，并考虑了流体沿深度方向的温度梯度。当需要 对埋管传热过程进行深入且较精确的研究时或者当实际问题要寻求钻孔的短期 影响时，一般采用三维瞬态远边界传热模型。但该模型求解的计算量相当大， 一般采用数值解法并依靠计算机辅助求解；线性源模型对小管径、长时间运行 的系统比较精确，但是在建模时忽略了土壤中水分的迁移、冻结、收缩、板结， 以及大气温度波动、太阳辐射、雨水等对地下盘管的影响，而通过安全系数考 虑这些因素的影响，因此设计的盘管长度比实际需要大，造成浪费又增加投资。 但目前许多系统模型还是按照线热源理论建立，这是由于以热阻概念为基础的 解析解模型简单直观、物理意义明确，且以显函数的形式出现，可以直接编程 并调用即可完成实际工程中地热换热器的设计与长时期的动态仿真。同时，利 用线性源模型进行地下埋管的换热研究还在不断深入并取得一定成果，通过对 模型的改进能够有效地模拟地下埋管的换热过程。n 矧 2 2 埋地换热器模型的选取 2 2 1 经典的线热源理论常热流模型 在线性源模型中，将垂直埋在地下的管子看作一个均匀的线热源，并假设 该热源沿深度方向单位长度的散热量为常量，即具有恒定的热流。将管子周围 的大地土壤连通回填部分看作是一个无限大的实体。 土壤中的温度分布可以写为： 6 第二章地下换热器模型的选取及理论和模拟计算 t 叫v h = 齿，( 专 泣t ， 式中，疋一f 时刻半径，处的土壤与远边界温度之差， 当，为孔洞半径时即为孔洞壁面与土壤远边界的温差； r ( r ，r ) ，巧一分别为r 时刻半径，处的土壤温度及土壤远边界的初始温度， ： g 一单位长度埋管的热流，w m ； 口。一土壤的导温系数，m 2 s 或m 2 h ； 五一土壤导热系数，w i m 。c ； ，一指数积分函数，其表达式为： j ( x ) ：c o ( x = r 2 4 a s z ) ( 2 2 ) 冉 u 式( 2 2 ) 可用以下级数表达式束计算： ，( x ) = x - l n ( x ) 一c 一翕+ 高+ i _ _ 1 ) n 丁+ l x n 旺3 ， 式中，c 欧拉常数，c = o 5 7 7 2 6 。 2 2 2 变热流线源模型 在实际过程中，地下埋管与土壤的换热是随建筑负荷的变化而动态改变的， 因此经典的常热流模型在应用上有很大的局限性，必须对其进行改进以适用于 变热流情况。通过引入阶跃负荷与叠加原理，线热源的解就可看成是关于这样 一系列不同时刻不同热流的阶跃负荷在无限大介质( 土壤) 中产生的温度响应。 2 2 2 1 阶跃负荷的引入及叠加原理的应用 埋管的负荷随时间变化，可将其视为一系列作用在孔洞中的矩形阶跃负荷， 见图2 1 所示。 7 第二章地下换热器模型的选取及理论和模拟计算 图2 1 阶跃负荷示意图 每一时刻埋管阶跃负荷对孔壁均会产生一个温度响应，因此在某时刻末对 孔洞的温度响应可利用叠加原理求得。 叠加原理可以由图2 2 来进行说明。 g l 9 r 碍i ，譬巾 一，l 图2 2 叠加原理示意图 图2 2 示出了具有4 个不同埋管热流量时间段的情况。t ，时刻末的土壤远边 界与孔洞壁面的温差t 应该由q 。，q ：，q ，共同决定。在这种情况下，根据叠 加原理求l 的方程为： t q 钒3 - q 一东高，+ 寄j c 石高，+ 硒q l ，c 南，亿4 ， 式中，丑一土壤导热系数，w m 。c 。 8 第二章地下换热器模型的选取及理论和模拟计算 口，一土壤的导温系数，m 2 s 或聊2 h ； 一孔洞半径，m ； 卜一指数积分函数，其表达式为：，( 工) = f e - u 砒 “= 2 4 a ，t ) 。 由图2 2 和式2 4 可以看出，起始时刻热流g ，对整个时问段t ，的温度响应均 起作用，而g ：只对后面( f 3 - t 。) 时间段的温度响应有效，但此时必须抵消g 。热 流对该时间段的影响，即该段时间作用的等效热流为( q ：- - q ，) 。同理，第三时 间段的等效热流和相应的时间段分别为q ，一b ：一g 。) 一g 。( 即为9 3 一g ：) 和 ( t 3 - - t ：) 。因此，基于叠加原理和分段线形阶跃负荷思想可得到第t 。时刻末土 壤远边界与孔洞壁面的温差为： 办喜蛩吓禹 亿5 ， 其中，g o = o ，t o = 0 。 2 2 2 2 孔洞热阻与埋管内平均流体温度的确定 公式( 2 1 ) ( 2 5 ) 只能用来计算孔洞壁面的温度，而在实际地源热泵系 统运行时，热泵机组的性能和埋地换热器是通过流体温度相互耦合的。 为了计算热泵的性能、分析埋管的换热特性及地源热泵系统的动态模拟， 必须首先确定埋管内流体的平均温度。基于传热理论，在已知孔洞壁面温度时， 只要能计算出管内流体导孔洞壁而的传热热阻，便可确定管内流体平均温度， 即由式2 6 来计算： l = 一乃= q r 6 ( 2 6 ) 式中，r 叫i 型管内流体平均温度，定义为u 型管进出口流体温度的算术平 均值，； 孔洞壁面温度，； 9 第二章地- 卜i 换热器模型的选取及理论和模拟计算 民孔洞热阻，切。c ) w 。 忽略各接触面的接触热阻，则u 型埋管孔洞内的换热过程包括埋管换热器 管内的对流换热过程、u 型管管壁的导热过程以及回填材料的导热过程三部分。 这三部分分别对应三个热阻：管内流体与管内壁的对流换热热阻、管壁导热热 阻、回填材料的传热热阻。 考虑到孔洞内回填材料及埋管材料的热容量相比周围土壤来说很小，因此 可以认为属于稳态传热问题，于是：乜阳 r 6 = r ，+ r _ p + 尺 r = 赤2 m + 上4 , g - n ( 刳d + 去- 任) 泣7 ， 名【一j2 砜i 、叱j 式中，尺，管内流体与管内壁的对流换热热阻，( m 。c ) l w ； r 。管壁导热热阻，( m 。c ) w ； 如回填材料的传热热阻，( 肌6 c ) ； d 。孔洞直径，m ； d 所- u 型管内直径，m ； d u 型管外直径，m ； 五p 埋管导热系数，矿k 。c ) ； 九回填材料的导热系数，形b 。c ) ； h i 流体与管内壁问的对流换热系数，b 2 o c ) 。可用下式进行计 算冽 h ： (28)i n u , 乇s d p f n u = 0 0 2 3 r e u 5p r ” 其中，r e ，p r 分别为雷诺准则数和普朗特准则数； n 对供热与供冷工况分别为o 3 与o 4 ；全年取0 3 5 ； 乃载热流体的导热系数，形b 。c ) 。 d 。u 型管的当量直径，m 。可用下式进行计算，汹1 d e q = 0 2 d l s 1 0 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 第二章地下换热器模型的选取及理论和模拟计算 其中，厶叫i 型管两管脚中心之间的距离。 由能量平衡关系可得u 型埋管的出口流体温度为 2 弓+ 瓦q l ( 2 可得引入叠加原理、阶跃负荷的变热流线热源模型u 型埋管内流体平均温 度的计算式： 玩吨呜j 也广t , - q , r b - 喜背吨 式中，r _ u 型管内流体平均温度，； 兀，第t ，时刻术土壤远边界温度，； 乃。，考虑孔洞热阻的温度变化，； t ，第f ，时刻末土壤远边界与孔洞壁面的温差，； 凡孔洞热阻，( m 。c ) w 。 2 3 埋地换热器模型的求解分析 2 3 1 土壤温度状况分析及初始温度场分布计算 1 i ( 2 1 2 ) j 土壤的温度状况是指土壤温度随时问与空i 、日j 的变化规律，它是土壤热平衡和 热状况的反映，是土壤源热泵埋地换热器模型的计算基础，受地面温度年周期 性和同周期性变化的影响，土壤温度有两种周期性变化： ( 1 ) 土壤温度的一周期性变化 土壤表层的土壤温度在同出后开始逐渐上升，至下午1 ：0 0 2 ：0 0 达到最高值，之后又逐渐下降；土壤温度的同变化幅度随土壤深度的增加而 逐渐减小，温度峰值出现的时间也逐渐延迟。通常，在l 1 5 m 以下土层的 温度同变化就不明显了。 ( 2 ) 土壤温度的年周期性变化 ：南瓦 第二章地下换热器模型的选取及理论和模拟计算 土壤温度的年变化是指土壤温度全年的变化情况。一般来说，土壤温 度在3 月份开始升高，7 月份达到最高值，之后又逐渐下降。随着深度的增 加，土壤温度的年变化幅度逐渐减小，最大最小值出现的时间也渐渐延迟， 达到一定深度后，土壤全年温度基本不变，此深度一般在1 5 - - - 2 5 m 左右。 土壤初始温度场的确定是g s h p 地下埋管设计计算、模拟研究的基础，其值 必须在计算之前确定。在实际工程中，实测地温比较困难，对于土壤的初始温 度，根据文献 3 0 中不同时刻、不同深度的土壤温度可以由下式计算：侧 帅，= t m + a e x p - z ( 黟h z ( 玎i 亿 式中：z 土壤距地表面的深度，mo - r 从地表面年最高温度出现时算起的时间，h 。一般出现在7 月中旬； t s ( z ，t ) t 时刻深度为z 米的土壤温度，； t 广地表面年平均温度，； a 地表温度的波动幅度，。a = t 。一t 。，其中f 一为年地表面温度 的最高值，； a 土壤的导温系数，a = ，m 2 s ； p 缈土壤温度年周期性波动频率，i h 。缈2 等2 考吾2 0 0 0 0 7 1 7 ，t 为土壤温度年波动周期，t = 3 6 5 2 4 = 8 7 6 0 h 。 2 3 2 常热流条件下埋管周围温度场分布计算 模拟计算以上海浦东地区为例，取浦东地区采暖季一月份作为分析的代表。 有关的土壤特性参数在浦东信息网上可查得，现摘录如下： 浦东新区土壤表面年平均温度为1 9 0 * c ，比平均气温1 5 5 c 高3 5 c 。 土壤温度浅土层5 、1 0 厘米的两个深度，历年平均地温分别为1 7 4 。c 、1 7 2 ，比平均气温1 5 5 偏高1 7 1 9 c 。 全年各月平均土壤温度1 、2 月份为5 c 左右，其他月份均在5 c 以上。7 、 8 月份升高到2 8 3 0 。历年5 厘米深地温达l o 的初同平均为3 月2 3 日，达 1 5 的初同平均为4 月l8 同，均比气温提早1 0 天左右。 1 2 第一章地r 楔热器杜! 掣的选取r 1 1 论剌嵌拟l l 荇 8 - l l 钟参数耿值址r 衷 表2 1 常热流条仆r 训算参数袁 常热流祭川 o ”参数 地嵌半均温度t 。( ) 年地表血 m 度城高竹f f ) 地表漪度f f 陂功幅度a ( ) f ：壤的导湍系数口( m h ) 5 6 1 1 0 1 壤温度年削o oj f l 波动鼽率( 1 m ) i 壤；品腰年浊，| 】蝌蝌t ( h ) l ，壤导热系数t ，( w ，mc ) 转孔椿膻( m ) 蚪符深度f m 】 将jl 体f 内参数带入( 2 】3 ) - h 即可得 壤源热采n 连续逆m 一小r 帅j 刻、不州潍艘、小川、 侄处坤铝川 | ，| 1 ：壤湍j 堑场分巾，竹结果j 、： ( 考察热泉运行8 h f 门| 壤湍成分m 耿币值k 悭邶管的热流口=4 5 w ，m ；i 。t 址从地表印最高温馊眦叫 并起的时川， 槛脱在7 j i f l q ，所以取7j j15 为f 7 _ 【| j 叫的起点，耶么 i jj 】0 叫计算叫川为4 0 3 2 h ，运行袖后时为4 0 4 0 h 。 h2 3 扎泉垲 8 h 的 壤j 4 分巾小意 2 ) 嚣群热采垣礼1 6 h 的f ：壤濉度分粕 第章地f 换热器模型的选取殷理论午模拟汁抖 h2 4 热袋逆行1 6 h 帕十壤黼座分j 示恿恪i ( 3 ) 考察热泵运行2 4 h 的t 壤温度分布 分析以 数拂渖1 l 划彤川知： 侄芾趣埘1 地盘管、 7 衽为06 m 的k 坝山，l 一壤濉嫂变化较剧烈，m 血06 m 以外的b 城，变化比较、r 缓，丌随着、# 径的增人帆b 近j 协椿j ! ：棚应的上壤 原始濉发从吲r f l 还” 以看：时n 仃的每时到，n 深度人1 。7 m 后，十壤 m 嫂变化较小并趋近j 稳定。 第一章地r 换热器模刊的选啦肚瑚沦和模拟l 锥 i 刳26 小川时到 i j 温瞳分布h ：露h 2 33 变热流条件下埋管周围温度场分布计算 n ：监热流的条制f 研究。i m 用m ：壤的滥鹰分m 羊【_ l 叫心，必；6 1 汁允丁解缱 筑n 荷旧具体陆况。这是d j ：热采地f 螂竹换热器从f ：壤- ”的取( 放j 热鲢址 随建筑负荷f 内娈换 阿动态，盘化旧。 艘的吣州建筑供暖室内甜镩$ 皮取1 8 。师室外的。i 算温度札 州符个地 | 舡沟多层i ( 6 ) 扁平曲线，幻螺旋 图3 1 水平埋管 ( 2 ) 垂直埋管 根据埋管形式的不同，一般有单u 形管，双u 形管，小直径螺旋盘管和大 直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管、套管式管等形式；按埋设深度不同分 为浅埋( 3 0 m ) 、中埋( 3 1 - 8 0 m ) 和深埋( 8 0 r e ) 。 目前使用最多的是u 形管、套管和单管式，下面作一简述。 1 ) u 形管型是在钻孔的管井内安装u 形管，一般管井直径为1 0 0 1 5 0 m m ， 井深1 0 - - - - 2 0 0 m ，u 形管径一般在由5 0 m m 以下( 主要是流量不宜过大所限) 。由 于其施工简单，换热性能较好，承压高，管路接头少，不易泄漏等原因，目前 应用最多。如美国加州斯托克斯大学供应了4 8 力m 2 空调建筑的地源热泵系统， 有3 9 0 个深度超过1 2 0 m 的地下埋管，据介绍，采用这种地源热泵系统较常规空 调每年可节约各种费用4 5 5 万美元，其中能量费用3 3 万美元，节电2 5 ，节约 燃料费7 0 。当空调面积较大，而埋管场地面积受到限制，或是地下岩石不利于 开挖，则可采用垂直地埋管换热系统。这类地埋管的常见形式有：竖直钻孔 2 9 第三章地f 换热器在j j ：程中的优化设计和埋管长度不确定性分析 地埋管；压入垂直地埋管( 土层较软) ；夯入倾斜地埋管，如图3 2 所示。 当没有合适的室外用地时，垂直地埋管换热器还可以利用建筑物的混凝土基桩 埋设，即将u 形管捆扎在基桩的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，使u 形管固定 在基桩内，这种形式的地埋管还称作能量桩。如瑞士某工厂地源热泵系统从6 0 0 个桩基中吸收热量或冷量，用于2 万平方米建筑物的供暖和制冷。 2 ) 套管式换热器的外管直径一般为1 0 0 - - - 一2 0 0 m m ，内管为巾1 5 - 巾25m m 。由于增大了管外壁与岩土的换热面积，因此其单位井深的换热量高，根据 文献 2 的试验结果，其换热效率较u 形管提高1 6 7 。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 形管高。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3 0 m 的竖埋直管，对中埋采用此种 形式宜慎重。为防止漏水，套管端部封头部分宜由工厂加工制作，现场安装， 以保证严密性。 御一瘌 盛) 链嶷钻乳缝理筲；t 6 ) 魇人霾崧她堙赞$ ( f ) 夯入锻斜地坶臀 图3 2 垂直埋管 3 ) 单管型在国外常称为“热井 ，它主要用于地下水做热源的热泵系统， 一般来讲该种型式投资较少。其安装方法是地下水位以上用钢套管作为护套， 直径和孔径一致，典型孔径为1 5 0 m m 。地下水位以下为自然孔洞，不加任何设施。 孔洞中有一根出水管为热泵机组供水，回水自然排放或回到管井内。这种方式 受地下水资源、国家有关政策及法规限制大。 ( 3 ) 埋管深度 水平埋管埋设情况比较简单，前面已述。关于竖直埋管的埋设深度应根据 当地地质情况，工程及场地的大小，投资及使用的钻机性能等情况综合考虑。 其中有几点应注意到：钻井深6 0 m 以内井深的钻机成本少，费用低，如果大 第三章地下换热器在丁程中的优化设计和埋管k 度不确定性分析 于6 0 m ，其钻机成本会提高：井深8 0 m 以内，可用国产普通型承压( 承压 1 0 m p a ) 塑料管，如深度大于8 0 m ，需采用高承压塑料管，其成本大大增加； 据比较，井深5 0 m 的造价比l o o m 的要低3 0 - - - 5 0 。上述是针对地面中央机 房而言，如果采用分室型的水源热泵系统还要考虑建筑高度的影响。 一般来讲，浅埋管优点是：投资少，成本低，钻机要求不高，可使用普通 承压( o 6 - - 1 o m p a ) 的塑料管，由于受地面温度影响，一般地下岩土冬夏热平 衡性较好。其缺点是占用场地面积大，管路接头多，埋管换热效率较中深埋者 低。 深埋管优点是：占用场地面积小，地下岩土温度稳定，换热效率高，单位 管长换热量大，管路接头少。其缺点是投资大，成本高，需采用高承压( 1 6 2 o m p a ) 塑料管，钻机性能要求高；由于深层岩土温度场受地面温度影响很小， 因此必须注意冬季吸热量和夏季排热量的平衡，否则将影响地源热泵的长期使 用效果。有时采用在系统中加装冷却塔和辅助加热的措施，帮助地下岩土实现 热平衡。 中埋管介于浅、深埋两者之间，塑料管可用普通承压型的。从统计的国内 外工程实例看，中埋的地源热泵占多数。 在实际工程中采用水平式还是垂直式埋管、垂直式埋管深度多大，取决于 场地大小、当地岩土类型及挖掘成本。如场地足够大且无坚硬岩石，则水平式 较经济，如果采用命管机进行多管布置还可减少场地占用面积。当场地面积有 限时则应采用垂直式埋管，很多情况下这是唯一选择，如果场地中有坚硬的岩 石，用钻岩石的钻头可成功钻孔。 2 地下埋管系统坏路方式 2 1 串联方式和并联方式 在串联系统中，几个井( 水平管为管沟) 只有一个流通通路；并联方式是 一个井( 管沟) 有一个流通通路，数个井有数个流通通路。 串联方式的优点是： 一个回路具有单一流通通路，管内积存的空气容易排出； 串联方式一般需采用较大直径的管子，因此对于单位长度埋管换热量来 讲，串联方式换热性能略高于并联方式。 第三章地下换热器在t 程中的优化设计和埋管长度不确定性分析 图3 3 地埋管循环管路连接方式 a ) 串联b ) 并联 串联方式的缺点是： 串联方式需采用较大管径的管子，因而成本较高； 由于系统管径大，在冬季气温低地区，系统内需充注的防冻液( 如乙醇 水溶液) 多； 安装劳动成本增大； 管路系统不能太长，否则系统阻力损失太大。 并联方式的优点是： 由于可用较小管径的管子，因此成本较串联方式低； 所需防冻液少； 安装劳动成本低。 并联方式的缺点是： 设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高，以充分排出空气； 各并联管道的长度尽量一致( 偏差应! 1 0 ) ，以保证每个并联回路有相 同的流量； 确保每个并联回路的进口与出口有相同的压力，使用较大管径的管子做 集箱，可达到此目的。 从国内外工程实践来看，中、深埋管采用并联方式者居多；浅埋管采用串 联方式的多。 2 2 同程式和异程式 根据分配管和总管的布置方式，有同程式和异程式系统。在同程式系统中， 3 2 第三章地下换热器在工程中的优化设计和埋管长度不确定性分析 流体流过各埋管的流程相同，因此各埋管的流动阻力、流体流量和换热量比较 均匀。异程式系统中流体通过各埋管的路程不同，因此各个埋管的阻力不相同， 导致分配给每个埋管的流体流量也不均衡，使得各埋管的换热量不均匀，不利 于发挥各埋管的换热效果。 由于地下埋管多环路难于设置调节阀或平衡阀，难于做到系统各环路的水 力平衡，因此在实际工程中采用同程式者居多。 3 1 3 埋管尺寸、材料和防冻液的选择 1 埋管的选择 地下埋管系统基本上不能进行维护，因此地下的管材应首先要保证其具有良 好的化学稳定性、耐腐性。6 0 年代以前，地下埋管多用金属管，虽然它的传热 性能好，但耐腐蚀性差，使用1 0 - - 2 0 年就已腐蚀坏，严重降低了地源热泵的使 用寿命，因此也阻碍了地源热泵的发展。7 0 年代，大量塑料管的出现，克服了 金属管的缺点，促进了地源热泵的发展。由于聚乙烯( p e ) 和聚丁烯( p b ) 管 柔韧性好，强度高，而且可以通过热熔合形成比管子自身强度更好的连接接头， 因此在国外地源热泵系统中得到了广泛应用。由于p v c ( 聚氯乙烯) 管的导热 性差和可塑性不好，因此在地源热泵系统中不推荐用p v c 管。为了强化地下埋 管的换热，国外有的提出采用薄壁( 0 5 m m ) 的不锈钢钢管，但目前实际应用不 多。表3 1 是目前几种常用的塑料管性能。 管径的选择应根据热泵本身换热器的流量要求以及选用的串联或并联的形 式确定，即一方面管中流体的流速应足够大，以在管中产生湍流以利于传热， 另一方面该流速又不应过大，使循环泵的功耗保持在合理的范围内。表3 2 给出 了不同液体最小流量要求。表中的数据是由雷诺数分界计算出来的最小流量， 是最低要求，在设计时要注意。其他相关的数据可以通过计算得到。 选择埋管应主意的问题： 1 ) 了解制造商提供管子所属的“管子体系”，该管子是由何种树脂制作而成， 抵抗环境应力致裂的能力，有关管子材料说明和安装方法。 2 ) 应选择导热系数大，流动阻力小，热膨胀性好，工作压力符合系统要 求，工作温度一2 0 - 7 0 ，售价相应较低的管材。 3 ) 在保证要求情况下，选择的管材管壁尽量薄，配套用管件不应选择舍属 的，最好选用相同材料或工程塑料尼龙等材料制造的管件。 3 3 第三章地下换热器在一j ：程中的优化设计和埋管k 度不确定性分析 表3 1 不同管材的主要性能指标 管材项目 u p v cp bp p r p e xa b s 密度( g c m 3 ) 1 4 3o 9 2o 9 7 o 9 3 o ，9 7 温度( ) ( 长期使用)