（工程熱物理專業(yè)論文）基于建筑負荷動態(tài)模擬的地埋管換熱器設計及參數(shù)分析.pdf

山東建筑大學碩士學位論文 摘要 隨著節(jié)約能源與環(huán)境保護成為當今科學技術發(fā)展的重要方向，建筑領域里降低空調 采暖系統(tǒng)能耗的研究越來越受重視。在這種背景下，由于利用大地中的大量低品位熱能 來實現(xiàn)對建筑物的供熱制冷、高效環(huán)保，地源熱泵技術得到了越來越多的應用。地源熱 泵技術與傳統(tǒng)空調最大的區(qū)別就在于地埋管換熱器，合理設計地埋管換熱器可以節(jié)省初 投資、合理利用土地、使運行安全可靠，降低運行成本。本文通過分析計算，對影響地 埋管換熱器的因素進行了分析和討論。 首先，合理準確的建筑負荷計算是地埋管換熱器設計計算的基礎。本文將介紹建筑 負荷計算的方法和應用計算機技術的建筑負荷模擬軟件，并且對建筑逐時負荷進行累加 處理，得到放入地埋管換熱器中的累計負荷。 其次，對建筑負荷特性進行分析，提出定量表述建筑負荷特性的參數(shù)建筑累計 冷熱負荷比( 功) 。通過對建筑累積負荷和r a l 的分析將建筑負荷特性歸結為四種類型即 冷、熱負荷相對或絕對占優(yōu)。并對不同負荷特性下，地埋管換熱器設計參數(shù)對地埋管換 熱器設計長度的影響進行分析。 第三，方便易操作的設計計算軟件，可以使工程技術人員免除繁瑣的計算。本文將 介紹地源熱泵專用模擬設計軟件“地熱之星2 0 全面升級為“地熱之星v 3 0 ”所 做的工作。首先是集成d e s t 軟件，方便建筑負荷模擬計算；同時改進優(yōu)化計算部分， 升級軟件操作界面使軟件界面更加友好易操作，改進輸出報表便于設計人員提交輸出報 告。 第四，應用“地熱之星v 3 0 ”對不同負荷特性下，巖土的導熱系數(shù)、全年的冷熱負 荷及軸、回灌材料的導熱系數(shù)與u 型管各支管的間距、地熱換熱器排列方式與鉆孔間 距、設定的循環(huán)液所允許的最高和最低溫度對地埋管換熱器的設計長度進行分析討論。 冷熱負荷相對或絕對占優(yōu)概念的提出和導得的結論對正確理解和把握鉆孔間距的選擇 有重要的指導意義。其中對于冷熱負荷絕對占優(yōu)的情況下，鉆孔間距對鉆孔長度的影 響顯著。而冷熱負荷相對占優(yōu)時，開始計算月份對鉆孔長度的影響比較明顯。 關鍵詞：地源熱泵，地埋管換熱器，建筑負荷特性，建筑累積冷熱負荷比，軟件 山東建筑大學碩士學位論文 g r o u n dh e a te x c h a n g e r d e s i g na n d p a r a m e t r i ca n a l y s i sb a s e do n t h es i m u l a t i o no f d y n a m i cb u i l d i n gl o a d y uw e i ( t h e r m a l p h y s i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yf a n g z h a o h o n g a b s t r a c t w h i l et h ee n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o no f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt or e d u c et h e e n e r g yc o n s u m p t i o ni nb u i l d i n g s i nt h i sb a c k g r o u n d ，m o t ea n dm o r eg r o u n ds o u r c eh e a t p u m p ( g s h p ) s y s t e m sh a v eb e e nu s e db e c a u s eo ft h e i ra d v a n t a g e ss u c ha sm a k i n gu s eo ft h e l o w - g r a d ee n e r g ys o u r c ef o rb u i l d i n gh e a t i n ga n da i r - c o n d i t i o n i n g ，h i g l l l ye f f i c i e n c ya n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf e a t u r e s t h eg s h ps y s t e mi s q u i t ed i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a l h v a cs y s t e mi ni t sg r o u n dh e a te x c h a n g e r ( g h e ) ，w h i c hi sb u r i e du n d e r g r o u n dt oa b s o r bo r d i s s i p a t eb e a t r e a s o n a b l ed e s i g nt h eg h ew o u l dr e d u c et h ef i r s tc o s to ft h ep r o j e c t ，m a k e r a t i o n a lu s eo ft h ef i e l d ，e n s u r er e l i a b l yo p e r a t ea n ds a v eo p e r a t i o nc o s to ft h ep r o j e c t b a s e d o nt h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，f a c t o r si m p a c t i n go nt h eg h e p e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e di nt h i st h e s i s f i r s t ，t h er e a s o n a b l ea c c u r a t eb u i l d i n gl o a dc o m p u t a t i o ni st h ef o u n d a t i o no ft h eg h e d e s i g n i n g t h i st h e s i si n t r o d u c e sm e t h o d so ft h eb u i l d i n gl o a dc o m p u t a t i o na n dt h es o f t w a r e t h a tu s i n gc o m p m e rt e c h n o l o g yt os i m u l a t e t og e tt h el o a dt h a tp u ti n t og h e ，w ec u m u l a t e s u mt h eh o u r l yb u i l d i n gl o a d s e c o n d ，t oc a r r yo nt h ea n a l y s i sr e g a r d i n gt h eb u i l d i n gl o a dc h a r a c t e r i s t i c ，an e wn o t i o n ， r a t i oo fa c c u m u l a t e dl o a d s ( 功) i sp r o p o s e d a n a l y z i n gt h ea c c u m u l a t i v eb u i l d i n gl o a da n dr a l ， l o a dc h a r a c t e r i s t i c sa r ea t t r i b u t e dt of o u r t y p e s ：r e l a t i v e o ra b s o l u t e c o o l i n g h e a t i n g d o m i n a t e d t h e nu n d e rd i f f e r e n tl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed e s i g nf a c t o r sa r ea n a l y z e di nt h e i r a c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l tg h e l e n g t h t h i r d ，t h ed e s i g no fu s e r f r i e n d l yo p e r a t i o no ft h es o f t w a r ew i l le n a b l et h ee n g i n e e r i n g i i 山東建筑大學碩士學位論文 a n dt e c h n i c a lp e r s o n n e la w a yf r o mt e d i o u sc a l c u l a t i o n s t h i st h e s i sw i l lb ed e d i c a t e d c o m p r e h e n s i v e l yu p g r a d eg s h ps y s t e ms i m u l a t i o nd e s i g ns o f t w a r e ”g e o s t a r2 0 ”t o ” g e o s t a rv 3 0 ”t h eb u i l d i n gl o a ds i m u l a t i o ns o f t w a r ed e s ti si n t e g r a t e di n t og e o s t a r t h e a l g o r i s mi si m p r o v e da n do p t i m i z e d t h ei n t e r f a c e so ft h es o f t w a r ea l eu p g r a d e dt ob em u c h m o t ee a s yt oo p e r a t e ，a n dt h eo u t p u td o c u m e n ti sa l s oi m p r o v e da sad e s i g n e r sr e p o r tt o o u t p u t f o u r t h ，u n d e rd i f f e r e n tl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ，w ed i s c u s st h ef a c t o r sa f f e c t e dt h ed e s i g n l e n g t ho ft h eg h ew i t l lt h ea p p l i c a t i o no ft h e ”g e o s t a rv 3 0 ”t h ef a c t o r si n c l u d e dg r o u n d t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，a n n u a lh e a t i n g c o o l i n gl o a d sa n d 軸，t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fb a c k f i l l m a t e r i a la n dt h eu t u b es p a c i n g ，t h em o d a l i t yt h a tt h eg h eb o t e h o l ea r r a n g e d ，t h ep e r m i t t e d m a x i m u ma n dm i n i m u mt e m p e r a t u r eo ft h ef l u i di nt h eg h e i nt h ea b s o l u t ec o o l i n go r h e a t i n g - d o m i n a t e dc a s e s ，s p a c i n gb e t w e e nb o r e h o l e si m p a c t so nt h et o t a ll e n g t ho fb o r e h o l e s i g n i f i c a n t l y a n di nt h er e l a t i v ec o o l i n go rh e a t i n gd o m i n a t e dc a s e ，t h em o n t hw h e nt h e s y s t e mi sp u ti n t oo p e r a t i o ni m p a c t st h eb o t e h o l el e n g t hm o r e o b v i o u 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 ，g r o u n dh e a te x c h a n g e r ，b u i l d i n gl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ， r a t i oo fa c c u m u l a t e dl o a d s s o f tw a r e i i i 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所提交的學位論文是本人在導師的指導下，獨立進行研究 取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，論文中不含其他人已經發(fā)表或撰 寫過的研究成果，也不包含為獲得山東建筑大學或其他教育機構的學位證書而 使用過的材料。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確 方式標明。本人承擔本聲明的法律責任。 學位論文作者簽名：日期獨：! ：p 學位論文使用授權聲明 本學位論文作者完全了解山東建筑大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定， 即：山東建筑大學有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和 磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權山東建筑大學可以將學位論文的全部 或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其它手段保存、 匯編學位論文。 保密論文在解密后遵守此聲明。 學位論文作者簽名： 導師 簽名： 日期) 蝣名喀 山東建筑大學碩士學位論文 1 1 地源熱泵研究現(xiàn)狀 1 1 1 地源熱泵簡介 第一章緒論 熱泵是一種通過做功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝置。利用熱泵， 可以把不能直接利用的低品位熱能( 如空氣、土壤、水中所含的熱能、太陽能、工業(yè)廢 熱等) 轉換為可以利用的高品位熱能。熱泵按所采用的低品位熱源可分為：空氣源熱泵 ( a i rs o u r c eh e a tp u m p ，a s h p ) 和地源熱泵( g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m p ，g s h p ) 兩大類。地源 熱泵系統(tǒng)通常還被稱為地熱熱泵系統(tǒng)( g e o t h e r m a lh e a tp u m ps y s t e m ) 、地能系統(tǒng)( e a r t h e n e r g ys y s t e m ) 、地源系統(tǒng)( g r o u n d - s o u r c es y s t e m ) 等，a s h r a e 統(tǒng)一標準術語即地源熱泵 系統(tǒng)( g r o u n d - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ) 。地源熱泵又可進一步分為地表水熱泵 ( s u r f a c e - w a t e rh e a tp u m p ，s w h p ) 、地下水熱泵( g r o u n d w a t e rh e a tp u m p ，g w h p ) 和地耦合熱 泵( g r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m p ，g c h p ) ?？紤]實際應用中人們的稱呼習慣，同時為了便于 理解，我國頒布的地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范( g b5 0 3 6 6 - - - 2 0 0 5 ) 中把地耦合熱泵 系統(tǒng)( c l o s e d - l o o pg r o u n d - c o u p l e dh e a tp u m ps y s t e m ) 或以前國內有人所稱的“土壤源”地源 熱泵系統(tǒng)定義為地埋管地源熱泵系統(tǒng)。 地表面 地下環(huán)路 圖1 1 地源熱泵的運行原理圖一制熱模式 山東建筑大學碩士學位論文 地源熱泵空調系統(tǒng)一般由三個必需的環(huán)路組成( 參見圖1 1 ) 。 ( 1 ) 地埋管換熱環(huán)路 由高強度塑料管組成的在地下循環(huán)的封閉環(huán)路，循環(huán)介質為水或防凍液。冬季從周 圍土壤( 地層) 吸收熱量，夏季向土壤( 地層) 釋放熱量，其循環(huán)由一臺低功率的循環(huán) 泵來實現(xiàn)。 ( 2 ) 制冷劑環(huán)路 即在熱泵機組內部的制冷循環(huán)，與空氣源熱泵相比，只是將空氣- n 冷劑換熱器換 成水- n 冷劑換熱器，其它結構基本相同。 ( 3 ) 室內環(huán)路 室內環(huán)路在建筑物內和熱泵機組之間傳遞熱量，傳遞熱量的介質有空氣、水或制冷 劑等，因而相應的熱泵機組分別應為水一空氣熱泵機組、水一水熱泵機組和水一制冷劑 熱泵機組。 有的地源熱泵還設有加熱生活熱水的環(huán)路。將水從生活熱水箱送到冷凝器去進行循 環(huán)的封閉加壓環(huán)路。對于夏季工況，該循環(huán)可充分利用冷凝器排放的熱量，基本不消耗 額外的能量而得到熱水供應；在冬季，其耗能也大大低于電熱水器【1 1 。 1 1 2 地源熱泵國際研究現(xiàn)狀 地源熱泵( g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ) 的概念最早出現(xiàn)在1 9 1 2 年瑞士的一份專利 文獻中，在2 0 世紀5 0 年代就己在一些北歐國家的供熱中得到實際應用。期間地源熱泵 的研究在歐洲達到第一次高潮。但由于當時能源的豐富，熱泵系統(tǒng)造價高，熱泵的發(fā)展 未能達到廣泛應用。隨著人們生活水平的提高，以及人們對礦物燃料在迅速枯竭以及大 量消耗礦物燃料帶來了嚴重的環(huán)境污染這一嚴峻性的全球問題的重視，具有顯著節(jié)能、 環(huán)保特點的熱泵得到了迅速發(fā)展【l 】。7 0 年代石油危機以后，美國和加拿大開始在建筑物 的供熱和空調中大量采用地源熱泵技術，但此時主要采用水平埋管的方式。自8 0 年代 以來，在北美也形成了利用地源熱泵對建筑進行冷熱聯(lián)供的研究和工程實踐的新一輪高 潮，技術逐漸趨于成熟。這一階段的地源熱泵主要采用垂直埋管的換熱器，埋管的深度 通常達4 0 - - 2 0 0 米，因此占地面積大大減小，應用范圍也從單獨民居的空調向較大型的 公共建筑擴展。9 0 年代初美國在這一領域的技術研究和應用中取得了很大的進步，并 處于技術領先地位1 2 j 。 理論研究方面，在美國的俄克拉荷馬州立大學成立了國際地源熱泵協(xié)會 山東建筑大學碩士學位論文 ( i n t e r n a t i o n a lg r o u i l ds o u r c eh e a tp u m pa s s o c i a t i o n ) ，專門研究地源熱泵的技術的發(fā)展 與應用。對于地熱換熱器的設計計算，現(xiàn)在瑞典的學者、美國供熱制冷空調工程師協(xié)會 ( a s h r a e ) 、美國和加拿大的一些大學和公司都分別提出了各自的設計計算方法【1 1 。 1 1 3 地源熱泵國內研究現(xiàn)狀 早在上個世紀5 0 年代，我國就已經開始空氣源熱泵方面的研究工作，而地源熱泵的 發(fā)展則比較緩慢。在國家自然科學基金委員會的資助下，1 1 1 9 0 年代初期以來，國內也已 開始了對地源熱泵的探索性研究。青島建筑工程學院對垂直埋管的地源熱泵進行了實驗 室研究，對u 型埋管周圍土壤溫度場也進行了理論研究和試驗測試，于1 9 9 8 年建立起了 聚乙烯垂直埋管地源熱泵裝置；1 9 9 8 年，重慶建筑工程學院也建成了包括淺埋豎管換熱 器和水平埋管換熱器在內的試驗裝置，主要進行了15 米深的套管式垂直淺埋管傳熱的實 驗室研究。同濟大學于1 9 9 9 年5 月建成了地源熱泵實驗臺，并進行實驗研究。湖南大學等 單位建起了水平埋管地源熱泵試驗裝置，對地源熱泵技術進行了實驗研究。有的學者也 采用了數(shù)值分析和理論研究的方法。有關學者對這一時期的地源熱泵研究與應用進行了 總結與展望【7 1 。 在地源熱泵系統(tǒng)中，地熱換熱器的研究一直是地源熱泵技術的難點，同時也是該 項技術研究的核心和應用的基礎?，F(xiàn)有的地熱換熱器設計方法大都基于美國和歐洲對地 熱換熱器的試驗研究。國內有關地源熱泵的研究重點均放在地熱換熱器的試驗研究上， 試驗的重點是：單位管長放熱量的確定；系統(tǒng)c o p 的確定；埋管合理間距的確定；土 壤熱物性的確定等。 重慶建筑大學、同濟大學、青島建工學院等單位分別根據(jù)各自的地質條件給出了 相關的試驗結果。同時對地熱換熱器的傳熱模型、地熱換熱器設計計算模擬及影響地熱 換熱器傳熱的各種因素進行了初步研究取得了一些階段性成果。由于影響地熱換熱器的 因素很多，而且地下傳熱過程復雜，因此現(xiàn)有的各種設計方法得出的結論往往相差很大， 而且在短時間內很難達成共識。 上世紀八、九十年代瑞典的兩位研究者e s k i l s o n 和h e l l s t r o m 提出了一種基于疊 加原理的新思路，也稱作g 一函數(shù)方法的思路，山東建筑大學地源熱泵研究所關于地源 熱泵換熱器傳熱的研究在消化吸收該研究思路的基礎上并有所創(chuàng)新，在國際上首次求得 了關于地埋管換熱器的三個重要的傳熱問題的解析解，進一步提高了模型的精度和計算 速度【1 1 。 山東建筑大學碩士學位論文 1 2 地源熱泵應用現(xiàn)狀 地源熱泵源自歐洲，歐洲面積僅占世界總面積的7 ，但是人口卻是世界第二，而 且歐洲的3 6 個國家，各國經濟、能源、技術等各方面發(fā)展并不均衡，共同的問題是自 身產油少，對核能使用受到限制，水力的使用受到環(huán)保者的質疑。所以歐洲一些國家， 特別是北歐，政府對地源熱泵技術進行政策上的扶持，使這項技術發(fā)展迅速。在歐洲地 源熱泵還是主要應用于新建建筑中，末端可以采用地板輻射采暖。資料表明，瑞典、奧 地利、德國等國家應用地源熱泵技術較為廣泛，特別是瑞典5 0 的房屋已經安裝了地源 熱泵。 地源熱泵供熱空調系統(tǒng)自2 0 世紀5 0 年代在歐洲和北美開始投入實際應用，7 0 年 代“石油危機”以后得到迅速推廣，現(xiàn)在已是成熟的技術。7 0 年代末8 0 年代初，地源 熱泵在原有的水源熱泵的基礎上得到發(fā)展。通過改進，水源熱泵擴大了進水溫度范圍， 這也使得閉式環(huán)路地熱交換器能夠取代以前的熱交換系統(tǒng)。至此，美國進行了多種形式 的地下埋管換熱器的研究、安裝和測試工作。現(xiàn)在美國所安裝的地源熱泵主要是閉式環(huán) 路系統(tǒng)，它根據(jù)塑料管的安裝形式可分水平埋管和垂直埋管。它可以被有效地應用于任 何地方，也正是這種廣泛應用促使了最近幾十年美國地源熱泵產業(yè)的快速增長 3 1 。近年 來由于全世界對于全球環(huán)境問題的關注，地源熱泵技術受到許多國際機構和政府的重 視。聯(lián)合國發(fā)展計劃( u n d p ) 和國際能源組織( i e a ) 等國際機構都把推廣應用地源熱 泵作為節(jié)約能源、減少二氧化碳排放、改善地球環(huán)境的重要手段。據(jù)有關資料統(tǒng)計，截 止1 9 8 5 年美國共有1 4 ，0 0 0 臺地源熱泵，而1 9 9 7 年就安裝了4 5 ，0 0 0 臺，截止1 9 9 9 年， 全球大約有4 0 0 ，0 0 0 臺正在運行的地源熱泵機組( 6 2 在美國) ，而且每年以1 0o 6 0 的速 度穩(wěn)步增長。1 9 9 8 年美國能源部頒布法規(guī)，要求在全國聯(lián)邦政府機構的建筑中推廣應 用地下耦合熱泵供熱空調系統(tǒng)。在歐洲熱泵在供熱市場中也占有很大的分額。中、北歐 如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家也在大力發(fā)展地下土壤埋盤管的地源熱泵，用于室 內地板輻射供暖及提供生活熱水。瑞士是世界上按人口平均安裝地源熱泵供熱設備最多 的國家之一，現(xiàn)在共有超過5 萬套正在運行的地源熱泵供熱系統(tǒng)。瑞典有5 5 萬套正在 運行的地源熱泵供熱系統(tǒng)。在奧地利，熱泵供熱系統(tǒng)中空氣源熱泵占5 ，地下水熱泵 占1 2 ，地源熱泵占8 3 。 山東建筑大學碩士學位論文 1 3 我國地源熱泵應用現(xiàn)狀 地源熱泵技術在我國的研究應用從2 0 世紀八十年代末開始，并在2 0 0 0 年左右開始有 實際工程出現(xiàn)，文獻稱這一階段為中國地源熱泵發(fā)展的起步階段。而從2 0 0 1 年至1 j 2 0 0 4 年 被定義為中國地源熱泵發(fā)展的第二階段即推廣普及。大批以地源熱泵的設計、制造和施 工為主要業(yè)務方向的企業(yè)不斷涌現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計，截至2 0 0 4 年底，類似企業(yè)已達8 3 家，全國 范圍內除港、澳、臺地區(qū)外的3 1 個省市區(qū)均有地源熱泵項目，說明地源熱泵在我國應用 的區(qū)域已經非常廣泛。發(fā)明專利、科技文獻、工程技術指南更是層出不窮，可見這項技 術在我國正處于上升期。但這期間地源熱泵的發(fā)展也遇到了問題與挑戰(zhàn)：初投資較高、 設計施工人員水平參差不齊、政府對建筑節(jié)能環(huán)保重視程度不夠，令很多從業(yè)企業(yè)面臨 倒閉或轉向其他行業(yè)的困難【4 l 。2 0 0 5 年至今可以認為是地源熱泵的高速發(fā)展期，2 0 0 5 年 全國人大通過了可再生能源法?！笆晃濉庇媱澨岢隽斯?jié)能降耗和污染減排的具體目 標。有關政府部門紛紛制定相關政策，各省市相繼出臺一些地方規(guī)定，有力推進了地源 熱泵技術的普及。在北京利用地源熱泵政府給予財政補貼。沈陽要求全市范圍內具備條 件的建筑都要使用地源熱泵系統(tǒng)。成都、重慶、寧波等城市都設立可再生能源專項資金， 用于地源熱泵技術產業(yè)化發(fā)展，相關企業(yè)可享受貼息貸款、高新技術企業(yè)待遇等優(yōu)惠政 策。鐵路、電力、石油等行業(yè)也在本系統(tǒng)大力推廣地源熱泵技術。 目前，在政府積極支持與倡導下，地源熱泵應用日益廣泛，為建立節(jié)約型社會，解 決面臨的能源危機問題提供了新思路。據(jù)工程建設與設計雜志最新調查顯示，2 0 0 5 年- - 一2 0 0 6 年間從事地源熱泵的企業(yè)增加了3 0 。在對部分企業(yè)的調查中發(fā)現(xiàn)，地源熱泵工 程量逐年猛增。在2 0 0 8 奧運村、國家大劇院、沈陽世博園等標志性工程中都使用了地源 熱泵技術。國內地源熱泵在大量的工程實例基礎上，已經形成了廣闊的發(fā)展市場，地源 熱泵成為極具潛力的產業(yè) 4 1 。 1 4 當前地源熱泵系統(tǒng)設計、應用中的主要問題 地熱換熱器是地源熱泵技術的核心部分，地熱換熱器設計的合理性直接決定了地源 熱泵系統(tǒng)的初投資的多少和地源熱泵整個生命周期內運行效果的好壞。影響地熱換熱器 性能的因素很多，也很復雜，因此常常不易得出簡單和直接的判斷。地埋管換熱器可以 看作是一種蓄熱式換熱器，如果全年向地埋管換熱器釋放的熱量與從中吸收的熱量不平 衡，就會造成多余的熱量或冷量在地下的積累，引起地埋管換熱器周圍巖土年平均溫度 山東建筑大學碩士學位論文 的升高或降低，這種情況會影響地埋管換熱器的長期換熱性能【5 “】?，F(xiàn)在越來越多的工 程技術人員已經認識到這個問題。但是，怎樣定量地描述冷熱負荷的不平衡性，以及定 性、定量地評價冷熱負荷不平衡將造成的影響，至今在國內外的文獻中還很少見到中肯 的分析。 現(xiàn)在工程設計中建筑負荷的計算都未能考慮全年負荷的動態(tài)特性。工程設計人員經 常會采用建筑冷熱負荷概算指標的方法估算建筑負荷，這樣估算的結果僅為建筑的峰值 負荷。即使根據(jù)空調設計手冊中推薦的方法如諧波反應法等，由于手冊和規(guī)范中氣象參 數(shù)有限，計算得出的也只是某一天2 4 個小時的冷負荷或者熱負荷，對于全年8 7 6 0 個小 時而言仍然是峰值負荷。而地埋管換熱器可以看作是一種蓄熱式換熱器，如果全年向地 埋管換熱器釋放的熱量與從中吸收的熱量不平衡，就會造成多余的熱量或冷量在地下的 積累，引起地埋管換熱器周圍巖土年平均溫度的升高或降低，這種情況會影響地埋管換 熱器的長期換熱性能【6 1 。因此，全年逐時負荷的模擬計算對于地熱換熱器的設計有著重 要的意義。 在設計地埋管換熱器的時候，很多工程人員根據(jù)當?shù)販y試的巖土熱物性采用單位長 度地埋管承擔負荷，來估算埋管長度。即使設計人員采用設計軟件來計算，對于不同負 荷特性下的影響因素如何影響埋管長度，以及如何調整設計參數(shù)，使系統(tǒng)在滿足要求的 前提下盡可能減少埋管長度，節(jié)省鉆孔占地面積和減少初投資并不十分清楚。 當前地源熱泵技術雖然應用的越來越多，但是工程設計中的這些問題一直存在并 未得的實質性的解決。隨著工程數(shù)量的增加，如果這些問題沒有得到及時合理的解決必 定會成為行業(yè)發(fā)展的隱患，影響這項技術的推廣和發(fā)展。 1 5 本文研究的主要內容 本文針對地源熱泵系統(tǒng)設計和應用中所出現(xiàn)的問題，確定研究內容主要包括以下 幾個方面： 1 5 1 建筑負荷逐時模擬計算 本文將采用清華大學開發(fā)的d e s t 軟件進行建筑負荷的逐時模擬計算。由于地埋管 山東建筑大學碩士學位論文 換熱器有蓄熱性，地埋管換熱器設計計算中不僅應考慮建筑的峰值負荷更要考慮地埋管 所承擔的長期持續(xù)性的負荷，本文將對建筑負荷進行處理，將逐時負荷累加成為日負荷， 并進一步累加為月負荷、年負荷，并給出全年積累冷熱負荷比的概念，用以描述地埋管 承擔冷熱負荷的不均衡性。 1 5 2 地埋管換熱器設計計算 本文將介紹地埋管換熱器模擬設計專用軟件“地熱之星 的最新升級版本v 3 0 的研制和開發(fā)工作。 ；| ；= ! i = i ：眵媲粵熙尸篡霉j ：j 萼! 嬲眵 璺i 星l 舅l ：生蔓絲| 型l 塹l 翌l 墅l 里 夏i 盈i 管材料 一 一公稱外徑 帶p e 3 4 0 8 rd e 2 5pd e 4 0 壁厚一 # s i ) r 1 1 r 蘩攀 嬲： = = | 警d e 3 2 rd e 5 0 ? 喇塑管個數(shù) “： # 單根u 型管 請選擇間距t ；r 雙u 型管( 并聯(lián)) 一 ，單個u 型管間距 # a rb rc 、 9q 、 rd 圖1 2 地熱之星軟件界面 地熱之星軟件中采用的是國際上領先的地熱換熱器傳熱理論研究成果，用g 函數(shù) 的方法求解得到的關于地熱換熱器的三個解析解，新版軟件不僅對于計算部分進行了修 正，使計算精度和速度有了進一步的提升，而且還集成了清華大學的d e s t i i 、完善了 輸入輸出部分更便于工程技術人員操作使用。該軟件從最初版本經過多年工程實踐檢驗 和科研人員的不斷修正，各方面性能日臻成熟。 1 5 3 影響地埋管換熱器傳熱因素的分析 地埋管換熱器傳熱的影響因素很多，本文將利用所開發(fā)的軟件研究鉆孔間距、回 填材料性能、單雙u 、巖土導熱系數(shù)、u 形管各支管的間距、設定熱泵所允許的循環(huán)液 最高和最低進液溫度對鉆孔長度和地埋管運行效果的影響。用“地熱之星”軟件進行模 山東建筑大學碩士學位論文 擬計算，分析不同負荷特性下，這些因素對地埋管設計長度的影響，比較系統(tǒng)運行后的 性能參數(shù)，得出對今后的工程設計有所幫助的結論。 山東建筑大學碩士學位論文 第二章地熱換熱器傳熱模型 2 1 地埋管換熱器計算方法簡介 2 - 1 1 工程設計用的半經驗公式方法 由于地埋管換熱器中的傳熱過程是三維非穩(wěn)態(tài)的傳熱，影響因素非常復雜，很難用簡 單的公式加以描述和概括，因此在實際工程中采用半經驗公式為主的設計計算方法，主 要根據(jù)最大冷、熱負荷估算地埋管換熱器所需埋管的長度。這類半經驗方法其缺點是各 熱阻項的計算都做了大量的簡化假定，模型過于簡單，能夠考慮的因素有限，特別是難 于考慮冷、熱負荷隨時間的變化和全年中冷、熱負荷的轉換和不平衡等較復雜的因素， 因此它對各種復雜條件的普遍適用性還值得不斷地探討和驗證。此外，即使是這種最簡 單的以半經驗公式為主的設計計算方法，因為其中反復用到指數(shù)積分函數(shù)，對于工程中 實際遇到的多孔的地埋管換熱器，實際的計算工作量也太大，以至于也必需借助子適當 的計算機軟件來進行。 在這一類方法中，以國際地源熱泵協(xié)會( i g s h p a ) 和美國供熱制冷和空調工程師協(xié) 會( a s h r a e ) 曾共同推薦的美國俄克拉荷馬州立大學( o k l a h o m as t a t eu n i v e r s i t y ) 提 議的方法【7 1 影響最大。我國在2 0 0 5 年制定的地源熱泵供熱空調技術規(guī)程 1 5 1 中基本上 參考了i g s h p a 方法。 型盟掣芒學劌( 型e e r ) - ， - 一，、ll、u ， 。 u 一一f 。j lj 、。 f c = 毛1 2 ( o 2 ) 式中：l 。，制冷工況下，豎直地埋管換熱器所需鉆孔的總長度( m ) ；q 。，水源熱 泵機組的額定冷負荷( k w ) ；e e r ，水源熱泵機組的制冷性能系數(shù)；t m 瓢，制冷工況 下，地埋管換熱器中傳熱介質的設計平均溫度；t 。，埋管區(qū)域巖土體的初始溫度( ) ； f 。，制冷運行份額；t c l ，一個制冷季中水源熱泵機組的運行小時數(shù)，當運行時間取一個 月時，t 。l ，為最熱月份水源熱泵機組的運行小時數(shù)；t c 2 ，一個制冷季中的小時數(shù)，當 運行時間取一個月時，t c 2 ，為最熱月份的小時數(shù)。 山東建筑大學碩士學位論文 小型虹凳掣( 掣) ( 0 3 ) ( 0 4 ) 式中：l h ，供熱工況下，豎直地埋管換熱器所需鉆孔的總長度( m ) ；q h ，水源熱泵機 組的額定熱負荷( k w ) ；c o p ，水源熱泵機組的供熱性能系數(shù)；t m i 。，供熱工況下，地 埋管換熱器中傳熱介質的設計平均溫度，通常取一2 5 ；f h ，供熱運行份額；t h l ， 一個供熱季中水源熱泵機組的運行小時數(shù)；當運行時間取一個月時，t h l 為最冷月份水 源熱泵機組的運行小時數(shù)；t 1 2 ，一個供熱季中的小時數(shù)：當運行時間取一個月時， 為最冷月份的小時數(shù)；根據(jù)l h 和l 。中的較大值作為地埋管的設計長度。 2 0 0 7a s h r a eh a n d b o o k m h v a ca p p l i c a t i o n s ( 3 2 1 4 ) 也給出了地埋管換熱器的l 。和l h 的計算式嗍： 丘：q , , r g o + ( - w c ) ( _ r p i + p l f , , , r g m + r g d f s c ) ( o 5 ) o 每導 厶= 盟堅毯等必 (06)t f g 一竿一， 其中，f 剛熱短路損失系數(shù)；l 。，制冷情況下所需鉆孑l 長度，m ；l 。，制熱情況下所 需鉆孔長度，m ；p l f ，計算月的部分負荷系數(shù)，；q 。，傳給地下的年平均凈負荷，k w ： q l 。，建筑設計空調冷負荷，k w ：q l h ，建筑設計空調熱負荷，k w ：i ，在年脈沖熱流下 的土壤有效熱阻，( m 。k ) k w ；i ，在日脈沖熱流下的土壤有效熱阻，( m k ) k w ；陸， 在月脈沖熱流下的土壤有效熱阻，( m k ) k w ；r b ，管內熱阻，( m k ) k w ；t g ，穩(wěn)定土壤 溫度，；t w i ，熱泵的入口水溫，；t w o ，熱泵的出口水溫，；w 。，熱泵制冷工況的 輸入功率，k w ：w h ，熱泵制熱工況的輸入功率，k w 。計算式中熱負荷為正，冷負荷為 負。 這種計算方法主要有以下特點： 考慮了三個脈沖負荷：年平均負荷、月平均負荷、設計日的峰值負荷( 峰值負荷持續(xù) 時間可能是一個小時甚至可以取到四個小時) ，因此，可以用來模擬長時間的運行結果。 根據(jù)計算得出的l h 和l c 的較大值來確定鉆孔長度，也可以根據(jù)較小值確定鉆孔長度， 山東建筑大學碩士學位論文 配以輔助熱源如冷卻塔。 系統(tǒng)設計時沒有考慮動態(tài)負荷的影響。系統(tǒng)放入地下的負荷并不是一個恒定的數(shù)值而 是不斷變化的，負荷的這種動態(tài)的特性對于地埋管和熱泵系統(tǒng)都有著很大的影響。 計算公式中存在指數(shù)積分，計算較繁鎖。對于地層的熱阻的計算用到了指數(shù)積分 i ( u ) = 圭f 等凼，而且對于多個鉆孔的時候要反復用到這個公式進行積分的計算，耗費 計算機計算時間。 2 1 2 數(shù)值計算的方法 以離散化數(shù)值計算為基礎的傳熱模型，可以考慮比較接近現(xiàn)實的情況，用有限元或有 限差分法求解地下的溫度響應并進行傳熱分析。在地源熱泵傳熱分析的研究歷史上，這 一類方法的代表是美國的橡樹嶺國家實驗室( o a kr i d g en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 在上世紀 八十年代所做的工作【9 。12 1 。隨著計算機技術的進步，數(shù)值計算方法以其適應性強的特點 已成為傳熱分析的基本手段，也己成為地埋管換熱器理論研究的重要工具。但是由于地 埋管換熱器傳熱問題涉及的空間范圍大、幾何配置復雜，同時負荷隨時間變化，時間跨 度長達十年以上，因此若按三維非穩(wěn)態(tài)導熱問題進行數(shù)值計算將耗費大量的計算時間， 直接求解工程問題有很大的困難；如果再考慮對流，則困難更大。在當前的計算條件下 用數(shù)值計算方法直接進行實際工程問題的設計計算還沒有先例。但這些數(shù)值分析研究都 對定性了解地埋管換熱器的傳熱過程以及研究若干參數(shù)對地埋管換熱器性能的影響起到 了重要的作用。近年來我國的研究者關于這方面數(shù)值計算的論文也較多，例如用有限容 積法求解關于豎直螺旋盤管地埋管換熱器的傳熱【l 引。 2 1 3g - 函數(shù)方法 與上述兩種方法的思路不同，在上世紀八、九十年代瑞典的兩位研究者e s k i l s o n 和 h e l l s t r o m 提出了一種基于疊加原理的新思路，也稱作g 一函數(shù)方法。他們利用解析法和數(shù) 值法混合求解的手段較精確地描述單個鉆孔在恒定熱流加熱條件下的溫度響應，再利用 疊加原理得到多個鉆孔組成的地埋管換熱器在變化負荷作用下的實際溫度響應。這種方 法中采用的簡化假定最少，可以考慮地埋管換熱器的復雜的幾何配置和負荷隨時間的變 化，同時可以避免的冗長的數(shù)值計算，有可能直接應用于實際的工程設計計算和建筑能 山東建筑大學碩士學位論文 耗分析。山東建筑大學地源熱泵課題組關于豎直和傾斜埋管地埋管換熱器傳熱的研究主 要是延續(xù)了這種方法的思路，并在消化吸收的基礎上有所創(chuàng)新，在國際上首次求得了關 于地埋管換熱器的三個重要的傳熱問題的解析解，進一步提高了模型的精度和計算速度。 并且應用得到的成果開發(fā)了供工程技術人員設計和能耗分析用的專用軟件“地熱之 星”。地熱之星軟件中計算所使用的數(shù)學模型，在下面的章節(jié)中將進行詳細介紹。 2 2 鉆孔內的導熱模型及計算式 鉆孔內導熱模型常見的包括：一維模型、二維模型以及準三維模型。 a ，蓼燮褥蜜鼯彩鬟啄您隧b ，鉑綴瓣麓他番戇繅 圖2 1 鉆孔當量直徑示意圖 鉆孔內的一維導熱模型也稱當量直徑法，是將鉆孔內的u 型管簡化為一根管，將 問題簡化為徑向的一維導熱問題。假定u 型管的當量直徑以= 4 h a 。，其中n 是鉆孔內 的埋管根數(shù)。鉆孔內熱阻由流體至管道內壁的對流換熱熱阻、管壁的導熱熱阻和管道外 壁到鉆孔壁的熱阻三部分相加得到。這樣可以回避u 型埋管各支管與鉆孔不同軸而帶 來的復雜問題，進而把鉆孔內部的導熱簡化為一維導熱。這樣的簡化過于粗糙，并不能 夠討論鉆孔內支管的位置及相互傳熱對整個換熱過程的影響。 鉆孔內的二維導熱模型是忽略了鉆孔軸向導熱和管內流體的對流換熱，考慮了垂直 于鉆孔軸線的橫截面中由于支管的幾何配置等影響而引起的二維溫度場。在忽略軸向導 熱的條件下，如果u 型管的兩根支管單位長度的熱流分別為q 和q ，根據(jù)線性迭加原 理，所討論的穩(wěn)態(tài)溫度場應該是這兩個熱流作用產生的過余溫度場的疊加。由于沒有考 慮兩支管沿深度方向的變化，所以該模型假定兩支管中的流體溫度和單位長度的換熱量 分別相等。 山東建筑大學碩士學位論文 鉆孔內的準三維導熱模型考慮了流體溫度沿軸向的變化及軸向的對流換熱量，區(qū)分 了各橫截面上的不同的傳熱量，考慮了u 型管各支管間的熱流“短路現(xiàn)象1 4 1 。 “地熱之星 中采用準三維導熱模型的結論，模型在二維導熱模型的基礎上，流體 溫度在深度方向的變化以及在軸向對流予以考慮，但是鉆孔內固體部分的軸向導熱仍忽 略不計。鉆孔內為單u 管的兩支管內的溫度分布： 。t ( z ) = 砌( 盧z ) 一了雨1 贏j7 、c h 仔一l 孵p p s h 。 0 2 仁卜瓦再 c 辦盧+ 、 去s 辦盧 一尸二筆；蘭黲 。辦c p z ，c o 7 ，岍并s 印r 一 叫糾+ 擊f 纛 - pm ( 盧z ) ( o 8 ) 舯。2 背，z 一憊肛研麗h 鉆孔內u 型管的兩個支管對稱布置，有 噸= 去( 薩r o 竹嚦芻卜 9 ， 恥去( m 去+ 仃嘰專) 舯一2 罐，邱2 去h + 南黼韞舒外蚴燃柵坤秈分 別為u 型管內外半徑；r b 為鉆孔的半徑；k s 、k b 和k p 分別為鉆孔周圍巖土、鉆孔回填材 山東建筑大學碩士學位論文 圖2 2 雙u 管的橫截面示意圖 雙u 型管換熱器循環(huán)液在埋管內的流動可以有多種形式：兩組u 型管之間可以有串聯(lián) 的連接方式，也可以有并聯(lián)的連接方式；按四根支管在鉆孔中的幾何配置，每種連接方 式又可以有不同的流程。不同的連接方式和流程都會影響其中的傳熱過程。在以下的討 論中假定四根支管在鉆孔中是中心對稱分布的。在同一鉆孔內對地埋管換熱器傳熱性能 有程度不同的影響的串聯(lián)布置方式僅有三種情況：( 1 3 2 4 ) 、( 1 2 3 4 ) 及( 1 - 2 4 3 ) 。 對于雙u 型管并聯(lián)布置的情況，分為兩種情況：( 1 - 3 ，2 _ 4 ) 和( 1 - 2 ，3 - 4 ) ，1 3 表示 循環(huán)流體從編號1 的支管流入、從編號3 支管流出地埋管換熱器；2 4 則表示另一并聯(lián) 通道的流程，另一種布置方式道理相仿?？梢缘贸鱿鄳墓軆攘黧w溫度的表達式，( 1 3 ， 2 4 ) 并聯(lián)的情況熱阻最小，所以“地熱之星”中推薦工程使用的也是這種模型，在這 里就不再羅列公式3 - ”】。