地埋管地源熱泵地埋管換熱器最佳出口溫度的確定_secret

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1、地埋管地源熱泵地埋管換熱器最佳出口溫度的確定摘要為研究土壤源熱泵地下?lián)Q熱器最佳設(shè)計出口溫度的變化范圍，本文建立了地下?lián)Q熱器的傳熱模型，用自編程序分析了出口溫度對埋管長度的影響；根據(jù)壓縮機(jī)的部分負(fù)荷性能得出了系統(tǒng)耗功量與出口溫度的關(guān)系；使用費用年值法將土壤源熱泵與其他冷熱源空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較。結(jié)果表明，上海地區(qū)使用土壤源熱泵系統(tǒng)比其他冷熱源系統(tǒng)更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；地下?lián)Q熱器的最佳出口溫度夏季為30～35℃，冬季為6～10℃。關(guān)鍵詞土壤源熱泵；地下?lián)Q熱器；埋管長度；運(yùn)行成本；經(jīng)濟(jì)性1前言土壤源熱泵系統(tǒng)是利用土壤的蓄冷（熱）性能，通過中間介質(zhì)在封閉的地下?lián)Q熱器中循環(huán)流動，從而實現(xiàn)與土壤的

2、熱交換。冬季通過熱泵將大地中的熱量取出對建筑物供暖，同時貯存冷量，以備夏用；夏季通過熱泵將建筑物的熱量釋放到地下，對建筑物進(jìn)行降溫，同時貯存熱量，以備冬用。由于其技術(shù)上的優(yōu)勢，推廣土壤源熱泵具有明顯的節(jié)能和環(huán)保效益。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，對于土壤源熱泵豎直地下埋管換熱器，夏季的設(shè)計出口溫度一般為土壤溫度加上11～14℃，冬季的設(shè)計出口溫度為土壤溫度減去8～11℃。而山東建工學(xué)院報告廳地源熱泵系統(tǒng)的測試表明[2]，在達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定工況時，夏季地下?lián)Q熱器的出口設(shè)計溫度為土壤溫度加上20～25℃，冬季的設(shè)計出口溫度為土壤溫度減去10～15℃。由以上可知，兩者給出的夏季和冬季設(shè)計出口溫度均相差較大，而

3、且都沒有從土壤源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的角度加以考慮。實際上，地下?lián)Q熱器設(shè)計出口溫度的高低對埋管長度以及熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率都有較大的影響。夏季，隨著地下?lián)Q熱器的設(shè)計出口溫度的升高，所需要的地下埋管長度變少，系統(tǒng)的初投資降低，而熱泵機(jī)組的運(yùn)行效率降低，運(yùn)行成本就升高；冬季正好相反。這就存在一個最佳出口溫度問題。如何確定地下?lián)Q熱器的最佳設(shè)計出口溫度，使之在滿足設(shè)計條件下土壤源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本最低，這將是本文討論的重點。2數(shù)學(xué)模型地下?lián)Q熱器的設(shè)計是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的最重要部分。在目前的工程設(shè)計中，地下埋管長度主要是根據(jù)建筑物的峰值冷負(fù)荷或熱負(fù)荷確定出換熱器的放熱量或吸熱量，然后確定地下?lián)Q熱器的

4、布置方式，再根據(jù)手冊中給定的單位管長或單位埋管深度的放熱量即可求出所需的地下埋管長度。這種方法簡單，但是沒有考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，巖土體及回填材料熱物性的影響，會使設(shè)計結(jié)果不準(zhǔn)確。豎直地下?lián)Q熱器與土壤間的傳熱過程較復(fù)雜，對于工程實際應(yīng)用的模型，可以在空間上以鉆孔壁為界，把地?zé)釗Q熱器的傳熱分為兩個區(qū)域，分別采用不同的簡化假定進(jìn)行分析研究。對于鉆孔壁以內(nèi)的傳熱過程,由于其幾何尺寸和熱容量相對較小，因此其傳熱過程可近似按穩(wěn)態(tài)傳熱過程處理，根據(jù)文獻(xiàn)[3]建立的二維模型，鉆孔內(nèi)的熱阻可表示為：（1）式中λb——鉆孔回填材料的熱導(dǎo)率；λ——鉆孔周圍土壤的熱導(dǎo)率；rb——鉆孔半徑；r2——U型埋管管

5、子的外半徑；r1——U型埋管管子的內(nèi)半徑；D——U型管支管中心至鉆孔中心之間的距離；kp——U型塑料管的熱導(dǎo)率。h——循環(huán)液的換熱系數(shù)對于鉆孔壁至外部土壤之間的傳熱應(yīng)按非穩(wěn)態(tài)傳熱處理,在工程計算中常可用線熱源模型進(jìn)行分析研究[4,5]。在線源模型中，將垂直地下埋管看作一均勻的線熱源，并假設(shè)該熱源沿深度方向單位長度的散熱量為常量，即具有恒定的熱流，將管子周圍的大地土壤連同回填部分看作是一無限大的實體。土壤中的溫度分布可以寫為：（2）式中，稱為指數(shù)積分；為大地初始溫度；為線熱源提供的恒定熱流；為土壤的導(dǎo)溫系數(shù)?？妆趓b處的過余溫度為（3）根據(jù)能量守恒方程，聯(lián)立式（1）～（3），用MATL

6、AB編程即可以求出單位管長每一天的換熱量以及供冷（熱）季節(jié)的平均換熱量。3地下?lián)Q熱器出口溫度對埋管長度的影響地下?lián)Q熱器中循環(huán)液出口溫度對垂直U型管的單位管長換熱量有很大的影響。在夏季，循環(huán)液出口溫度越高，單位管長換熱量越大，所需要的埋管總長度則越短，而冬季正好相反。地源熱泵的技術(shù)規(guī)程指出，土壤源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器中循環(huán)液的設(shè)計平均溫度夏季通常可選為37℃，冬季為-2～5℃。一般考慮冬夏季進(jìn)出口之間的換熱溫差為5℃左右，因此夏季出口溫度一般可選為35℃，冬季為0～8℃。以上海地區(qū)為例，土壤的熱導(dǎo)率λ=1.6W/(m·k)，土壤的導(dǎo)溫系數(shù)=9.110-7m2/s，深層土壤溫度t0=15.

7、8℃。根據(jù)所編程序得出單位管長換熱量與地下?lián)Q熱器出口溫度、運(yùn)行時間、土壤熱物性、埋管間距等各種變化參數(shù)的關(guān)系。圖1、圖2分別為夏季、冬季不同出口溫度下單位管長換熱量與運(yùn)行時間的變化關(guān)系；圖3、圖4分別表示夏季與冬季不同的地下?lián)Q熱器設(shè)計出口溫度相對于出口溫度為26℃和10℃時的埋管長度百分比。由圖1和圖2可知，單位管長換熱量隨運(yùn)行時間的增加而逐漸減少，在運(yùn)行前5天內(nèi)減小的幅度較大，這是由于運(yùn)行時間較短，U型管與土壤之間的非穩(wěn)態(tài)傳熱引起的，隨著時間的增加，傳熱