231地埋管地源熱泵地埋管換熱器最佳出口溫度的確定全文

1、地埋管地源熱泵地埋管換熱器最佳出口溫度的確定哈爾濱工業(yè)大學(xué)毛會敏姚楊馬最良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 3035C,冬季為 610C。關(guān)鍵詞土壤源熱泵；地下?lián)Q熱器；埋管長度；運行成本；經(jīng)濟(jì)性 1 冃 U 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

2、換熱器中循環(huán)流動，從而實現(xiàn)與土壤的熱交換。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1114C,冬季的設(shè)計出口溫度為土壤溫度減去 811C。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 2025C,冬季的設(shè)計出口溫度為土壤溫度減去 1015C。由以上可知，兩者給出的夏季和冬季設(shè)計出口溫度

3、均相差較大，而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)組的運行效率降低，運行成本就升高；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

4、熱器的布置方式， 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：1rbrb打一幾 rb411r2Rb=0.5InIn-In4In(1)2 欣br22D 扎十九 rbD2 兀2

5、 兀 kpr,式中?b鉆孔回填材料的熱導(dǎo)率；k鉆孔周圍土壤的熱導(dǎo)率；rb鉆孔半徑；r2U 型埋管管子的外半徑；riU 型埋管管子的內(nèi)半徑；DU 型管支管中心至鉆孔中心之間的距離；kpU 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?？捎镁€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：2qi心m=t(b,.)to=-I(-)(2)4 兀扎 4ais:e式中 I(x)ds

6、，稱為指數(shù)積分；t0為大地初始溫度；ql為線熱源提供的恒定熱流；&sa 為土壤的導(dǎo)溫系數(shù)。2孔壁 r-處的過余溫度為九=t(rb,.t0=丄 I4)(3)4 兀扎 4ax根據(jù)能量守恒方程，聯(lián)立式(1)(3)，用 MATLAB 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?？蛇x為 37C，冬季

7、為-25C。一般考慮冬夏季進(jìn)出口之間的換熱溫差為 5C左右，因此夏季出口溫度一般可選為 35C，冬季為 08C。以上海地區(qū)為例，土壤的熱導(dǎo)率=1.6W/(m-k)，土壤的導(dǎo)溫系數(shù) a=9.1x10-7m2/s,深層土壤溫度 t=15.8C。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 26C和 10C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行時間的增加而

8、逐漸減少，在運行前 5 天內(nèi)減小的幅度較大，這是由于運行時間較短，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，傳熱過程逐漸趨于穩(wěn)態(tài)，單位管長換熱量也逐漸趨于穩(wěn)定值。圖 3 和圖 4可知，夏季地下?lián)Q熱器設(shè)計出口溫度增加，所需要的埋管長度減少，并且埋管長度的變化幅度隨著出口溫度的增加而減小，而冬季正好相反。4 地下?lián)Q熱器出口溫度對系統(tǒng)耗功量的影響以上海地區(qū) 10000m2辦公建筑為例，用改良溫頻法(BIN)算出建筑物全年的能耗，采用的土壤源熱泵系統(tǒng)為變流量系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)計的出口溫度確定后，壓縮機(jī)的設(shè)計工況就可以確定，然后分別根據(jù)所選壓縮機(jī)和水泵的部分負(fù)荷性能，擬合出任一溫度下的壓縮機(jī)和水泵的

9、耗功率，用兩者之和分別乘以該溫度對應(yīng)的小時數(shù)，最后相加就得出土壤源熱泵系統(tǒng)總的耗電量。圖 5 為夏季供冷時土壤源熱泵系統(tǒng)耗電量與地下?lián)Q熱器設(shè)計出口溫度的關(guān)系。1601002.52530354045地?zé)釗Q熱器設(shè)計岀口溫度（C）圖 5換熱器設(shè)計量與溫度溫度的關(guān)系由于上海地區(qū)的夏季冷負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冬季的熱負(fù)荷，地下?lián)Q熱器的設(shè)計是根據(jù)夏季冷負(fù)荷來選定的。當(dāng)?shù)叵聯(lián)Q熱器的夏季出口溫度選定的時候，壓縮機(jī)的型號就能確定下來，在滿足冬季負(fù)荷的情況下，地下?lián)Q熱器冬季出口溫度變化范圍不大，因此本文不予逐一討論與夏季設(shè)計出口溫度相對應(yīng)的冬季出口溫度的變化情況。5 經(jīng)濟(jì)性分析對上述辦公樓空調(diào)系統(tǒng)采用三種方案：（1）冷水機(jī)

10、組+燃?xì)忮仩t；（2）土壤源熱泵機(jī)組；（3）空氣源熱泵機(jī)組?，F(xiàn)分別對這三種方案從初投資、年運行費用方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。5.1 初投資的比較)m8060換40長位200100100)%比分百度長管埋2830323436384042地?zé)釗Q熱器設(shè)計岀口溫度（C）圖 3 夏季埋管長度百分比2468地?zé)釗Q熱器設(shè)計岀口溫度（C）圖 4 冬季埋管長度百分比105o1JnwK量電耗季夏5014012010080604020運行天數(shù)（天）圖 1 夏季單位管長換熱量020406080運行天數(shù)（天）圖 2 冬季單位管長換熱量tout=0Ctout=2C+tout=5Ctout=8C100)%比分百度長管埋30o由于三

11、種冷熱源系統(tǒng)方案中室內(nèi)系統(tǒng)部分基本上相同，因此本文比較的初投資只是各系統(tǒng)冷熱源部分的初投資，并未考慮室內(nèi)部分的投資。各方案的初投資見表 1。表 1 三種方案的初投資（萬元）系統(tǒng)方案冷水機(jī)組加燃?xì)忮仩t土壤源熱泵空氣源熱泵設(shè)備費用123.6698.16166安裝費30.9214.7224.9機(jī)房建設(shè)費27.610.80配電費用151516初投資197.18138.68206.9注：初投資中未包括土壤源熱泵地下?lián)Q熱器的投資。地下?lián)Q熱器的投資費用可以按 80 元/米井深來計算，不同的地下?lián)Q熱器夏季出口溫度對應(yīng)的土壤源熱泵總投資見表 2。5.2 運行成本的比較上海市峰時段 （8:0011:00） 電價為

12、 0.946元/kWh,平時段 （11:0018:00） 電價為 0.569元/kWh。該辦公建筑內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的運行時間為&0018:00,根據(jù)運行時間的比例，可以取空調(diào)系統(tǒng)運行時間段內(nèi)的平均電價為 0.6821 元/kWh。夏季冷水機(jī)組的運行費用為 20.42 萬元，冬季燃?xì)忮仩t的運行費用為 17.4 萬元，則冷水機(jī)組加燃?xì)忮仩t的年運行費用為 20.42+17.4=37.82 萬元?？諝庠礋岜眠\行費用夏季為 25.16 萬元，冬季為 10.55 萬元，年運行費用為 25.16+10.55=35.71萬元。不同的地?zé)釗Q熱器夏季出口溫度對應(yīng)的土壤源熱泵年運行成本見表 2。表 2 不同出口溫

13、度下土壤源熱泵的總投資和年運行費用（萬元）出口溫度（C）262830323436384042總投資342.6309.1288.9272.7260.1249.3240.3232.7226.1年運行費用24.626.227.128.830.332.534.335.837.25.3 費用年值法費用年值法是將項目初投資的資金現(xiàn)值按其時間價值等額分?jǐn)偟礁魇褂媚晗拗腥サ膭討B(tài)經(jīng)濟(jì)分析方法。費用年值法針對使用壽命期不同的對比方案進(jìn)行評價，其中費用年值最小者為最佳方案。表 3 列出了各種方案的使用壽命。表 3 各系統(tǒng)使用壽命系統(tǒng)分類使用壽命（年）冷水機(jī)組加燃?xì)忮仩t系統(tǒng)15土壤源熱泵系統(tǒng)20空氣源熱泵系統(tǒng)15費用

14、年值法的計算公式為：i（1+imAW-CC（4）（1+i-1式中 AW費用年值（萬元）；C0初投資，包括設(shè)備購置費等（萬元）；i利率，一般取 8%;m使用壽命（年），見表 3;C年運行費用（萬元）。根據(jù)上式可以計算出不同系統(tǒng)的費用年值，圖 6 給出了土壤源熱泵系統(tǒng)在不同的出口溫度下的費用年值。由圖 6 可知，上海地區(qū)使用空氣源熱泵系統(tǒng)比冷水機(jī)組加燃?xì)忮仩t系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)，而土壤源熱泵系統(tǒng)在地?zé)釗Q熱器出口溫度在 25C41C時比其他兩種系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)，尤其是出口溫度在 30C35C時其經(jīng)濟(jì)性最好。因此可以確定上海地區(qū)土壤源熱泵地下?lián)Q熱器夏季最佳出口溫度為 30C35C,即為土壤溫度加上 1419C。當(dāng)夏季出口

15、溫度確定后，在滿足冬季設(shè)計及運行工況的條件下，出口溫度越高，冬季運行成本越小，系統(tǒng)越經(jīng)濟(jì)。本文選擇的冬季出口溫度為 6C10C,即為土壤溫度減去 610C。圖 6 三種方案的費用年值6 結(jié)論地下?lián)Q熱器出口溫度對系統(tǒng)初投和運行成本都有較大的影響，夏季制冷時，出口溫度越高，單位管長換熱量越大，系統(tǒng)初投資減少，但是運行成本增加，冬季正好相反。根據(jù)費用年值法的評價，上海地區(qū)冷熱源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性從好到壞分別是土壤源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)、冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t系統(tǒng)。上海地區(qū)是以冷負(fù)荷設(shè)計為主，因此土壤源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性主要受地下?lián)Q熱器夏季出口溫度的影響。通過分析得出，上海地區(qū)地下?lián)Q熱器的夏季最佳出口溫度為

16、30C35C,而冬季的出口溫度受夏季最佳出口溫度的影響，大致范圍為 6C10C。參考文獻(xiàn)1 S.P.Kavanaugh,J.G.Woodhouse,J.R.Carter.Testresultsofwater-to-airheatpumpswithhighcoolingefficiencyforground-coupledapplicationJ.ASHRAETrans,1991,97:895-9012曲云霞，張林華，方肇洪，等.地源熱泵名義工況探討J.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報,2003,35(3):221-2253崔萍，刁乃仁，方肇洪，等.地?zé)釗Q熱器 U 型埋管的傳熱模型及熱阻計算J.暖通空調(diào),2003,33(6):108-1104 Bose.J.E,Parker.J.D,M.c.Quiston.F.C.DesigndatamanualforclosedloopgroundcoupledheatpumpsystemsM.Atlanta(Amercia):AmercianSocietyofheatingRefrigeratingandAirConditioningEngineers,1985.5 Zen