地埋管地源热泵地埋管换热器最佳出口温度的确定secret.doc

地埋管地源热泵地埋管换热器最佳出口温度的确定 摘要 为研究土壤源热泵地下换热器最佳设计出口温度的变化范围，本文建立了地下换热器的传热模型，用自编程序分析了出口温度对埋管长度的影响；根据压缩机的部分负荷性能得出了系统耗功量与出口温度的关系；使用费用年值法将土壤源热泵与其他冷热源空调系统进行了经济性比较。结果表明，上海地区使用土壤源热泵系统比其他冷热源系统更具有经济优势；地下换热器的最佳出口温度夏季为30～356～10前 言土壤源热泵系统是利用土壤的蓄冷（热）性能，通过中间介质在封闭的地下换热器中循环流动，从而实现与土壤的热交换。冬季通过热泵将大地中的热量取出对建筑物供暖，同时贮存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物的热量释放到地下，对建筑物进行降温，同时贮存热量，以备冬用。由于其技术上的优势，推广土壤源热泵具有明显的节能和环保效益。根据文献[1]对竖直夏季的设计出口温度一般为土壤温度加上11～14℃冬季的设计出口温度为土壤温度减去8～11℃。而山东建工学院报告厅地源热泵系统的测试表明[2]在达到准稳定工况时夏季的出口设计温度为土壤温度加上20～25℃，冬季的设计出口温度为土壤温度减去10～15℃。设计出口温度的高低对埋管长度以及热泵机组的运行效率都有较大的影响。的设计出口温度的设计出口满足设计系统的经济成本最低这将是本文讨论的重点。的设计是土壤源热泵系统设计的最重要部分。在目前的工程设计中，长度主要是根据建筑物的峰值冷负荷或热负荷确定出的放热量或吸热量，然后确定的布置方式，再根据手册中给定的单位管长或单位埋管深度的放热量即可求出所需长度。这种方法简单，但是没有考虑当地的气候条件，岩土体及回填材料热物性的影响，会使设计结果不准确。 竖直与土壤间的传热过程较复杂对于工程实际应用的模型可以在空间上以钻孔壁为界把地热换热器的传热分为两个区域分别采用不同的简化假定进行分析研究。 对于钻孔壁以内的传热过程,由于其几何尺寸和热容量相对较小因此其传热过程可近似按稳态传热过程处理，根据文献[3]建立的二维模型，钻孔内的热阻可表示为： 式中 λb——钻孔回填材料的热导率； λ——钻孔周围土壤的热导率； rb——钻孔半径； r2——U型埋管管子的外半径； r1——U型埋管管子的内半径； D——U型管支管中心至钻孔中心之间的距离； kp——。——循环液的换热系数 对于钻孔壁至外部土壤之间的传热应按非稳态传热处理,在工程计算中常可用线热源模型进行分析研究[4,5]。在线源模型中，将垂直地下埋管看作一均匀的线热源，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同回填部分看作是一无限大的实体。土壤中的温度分布可以写为： 式中，称为指数积分；为大地初始温度；为线热源提供的恒定热流；为土壤的导温系数。 孔壁rb处的过余温度为 （3） 根据能量守恒方程，联立式（1）～（3），用MATLAB编程即可以求出单位管长每一天的换热量以及供冷（热）季节的平均换热量。3 地下换热器出口温度对埋管长度的影响中循环液出口温度对垂直U型管的单位管长换热量有很大的影响。在夏季，循环液出口温度越高，单位管长换热量越大，所需要的埋管总长度则越短，而冬季正好相反。地源热泵的技术规程指出，土壤源热泵系统中循环液的设计平均温度夏季通常可选为37℃，冬季为-2～5℃。一般考虑冬夏季进出口之间的换热温差为5℃左右，因此夏季出口温度一般可选为℃，冬季为0～8℃。 以上海地区为例，土壤的热导率λ=1.6W/(·k)，土壤的导温系数=9.110-7m2/s ，深层土壤温度=15.8℃。根据所编程序得出单位管长换热量与出口温度、运行时间、土壤热物性、埋管间距等各种变化参数的关系。图1图2为夏季冬季不同出口温度下单位管长换热量与运行时间的变化关系；图3图4表示夏季冬季设计出口温度℃和10℃时的埋管长度百分比。 由图1和图2可知，单位管长换热量随运行时间的增加而逐渐减少，在运行前5天内减小的幅度较大，这是由于运行时间较短，U型管与土壤之间的非稳态传热引起的，随着时间的增加，传热过程逐渐趋于稳态，单位管长换热量也逐渐趋于稳定值。图3和图4可知，夏季设计出口温度增加，所需要的埋管长度减少，并且埋管长度的变化幅度随着出口温度的增加而减小，而冬季正好相反。出口温度对系统耗功量的影响以上海地区10000m2办公建筑为例，用改良温频法（BIN）算出建筑物全年的能耗，采用的土壤源热泵系统为变流量系统。当设计的出口温度确定后，压缩机的设计工况就可以确定，然后分别根据所选压缩机和水泵的部分负荷性能，拟合出任一温度下的压缩机和水泵的耗功率，用两者之和分别乘以该温度对应的小时数，最后相加就得出土壤源热泵系统总的耗电量。图5为夏季供冷时土壤源热泵