供熱負荷與供熱負荷的關(guān)系

供熱負荷與供熱負荷的關(guān)系

0地下水熱儲層供熱能源和可持續(xù)發(fā)展的問題引起了全球的關(guān)注。作為一種新能源，地熱能具有分布廣泛、成本低、易開采、清潔、可直接利用等優(yōu)點。如果能充分合理地利用這個系統(tǒng)，它可以節(jié)省大量傳統(tǒng)能源，緩解人們?nèi)找嬖鲩L的能源需求。按利用方式,地熱能利用可分為地熱發(fā)電、直接利用和地源熱泵三種。地源熱泵通常利用低溫熱水型地熱資源(25～90℃)或溫度更低的蘊藏于淺層土壤中的熱能供熱或供冷。與熱泵技術(shù)相結(jié)合,擴大了地熱利用的溫度范圍,有利于地熱供暖的推廣,這也是近年來在建筑供熱應(yīng)用中發(fā)展得最快的地熱利用方式。按照地源熱泵系統(tǒng)熱源方式的不同,可將其分為三種類型:地埋管地源熱泵、地表水地源熱泵和地下水地源熱泵。第一種以淺層土壤為最終的熱源,后兩種以地表水或地下水為最終的熱源。從傳熱方式來說,換熱井中地下水的對流換熱顯然優(yōu)于地埋管周圍的土壤導(dǎo)熱。從熱源溫度來說,用于供熱的地下水溫度通常高于淺層土壤或地表水的溫度;從熱源的穩(wěn)定性來說,地下水溫度不易受到外界氣溫變化的影響,具有更好的熱源穩(wěn)定性。因此,與前兩種地源熱泵系統(tǒng)相比,地下水地源熱泵系統(tǒng)用于供暖時具有熱源穩(wěn)定性好、溫度高的優(yōu)點,在具備充足地下水源的條件下,不失為一種較好的選擇。地熱井下?lián)Q熱器的出現(xiàn)有望解決上述地下和地上環(huán)境問題。其原理是將換熱器置于地熱井內(nèi),循環(huán)水通過換熱器吸收地熱水中的熱能,溫度升高,然后進入地面的供熱系統(tǒng)放熱,再將降溫后的循環(huán)水送入換熱器重新吸熱。國外大多數(shù)地熱井下?lián)Q熱器是在有較高溫度地熱熱儲條件下運行的,我國有這樣地熱資源條件的地方不多。因此,如何突破這種溫度資源條件的限制,使更多的地區(qū)可以利用地熱井下?lián)Q熱器進行供熱,是一個有重要應(yīng)用價值的研究方向。本文提出一種新型熱泵與井下?lián)Q熱器結(jié)合的供熱系統(tǒng),供水時先經(jīng)熱泵冷凝器,提高供水溫度,從而提高供熱能力;回水時經(jīng)過熱泵蒸發(fā)器,降低井下?lián)Q熱器的進水溫度,從而有效提高從地下提取的總熱量,而且可以降低對地下熱儲層溫度上限的要求。由于井下?lián)Q熱器只取熱不取水,因此,不存在因過量開采水資源而引起地下水水位下降,甚至導(dǎo)致地面下沉等問題;并且循環(huán)水為純凈水,也不會出現(xiàn)設(shè)備腐蝕和結(jié)垢現(xiàn)象,延長了設(shè)備使用壽命。但由于井下?lián)Q熱器是利用地下水與井下?lián)Q熱器間的自然對流換熱,所以它提取的熱量只相當于直接抽水供熱的1/4～1/2。因此,如何選擇地熱井址、設(shè)計井下?lián)Q熱供熱裝置對提高采熱率至關(guān)重要。有關(guān)井下?lián)Q熱器換熱特征的實驗數(shù)據(jù)非常有限,目前對其傳熱機理也不十分清楚。一般認為,地下含水層的滲透性越好,越有利于自然對流換熱,國外學(xué)者曾用混合比模型評價井下?lián)Q熱器的傳熱性能,混合比R的定義式為:R=1-mn/mt,其中mt為參與井下?lián)Q熱器自然對流的全部流體的流量,mn為從地熱水層流入井下?lián)Q熱器的新水的流量。流入新水(溫度高)越多,R越小越好,一般R在0.50～0.94之間。安裝有地熱井下?lián)Q熱器的井深一般不超過300m,由于主要是冬季供暖,地熱水水溫不宜過低,國外應(yīng)用的井下?lián)Q熱器系統(tǒng),地熱水層溫度一般都在100℃以上,我國有這樣地熱資源的地區(qū)很少。為了普及地熱井下?lián)Q熱器供熱系統(tǒng),本文介紹一種與熱泵機組結(jié)合,可以利用100℃以下的地熱資源,如地熱水層溫度為65℃甚至50℃的地熱井下?lián)Q熱器供熱系統(tǒng),分析了該類系統(tǒng)的供熱能力與井下?lián)Q熱器設(shè)計參數(shù)、地面終端散熱器參數(shù)及運行參數(shù)的關(guān)系,為推廣應(yīng)用井下?lián)Q熱器提供理論設(shè)計依據(jù)。1地下熱裝置的加熱模型1.1井下熱泵聯(lián)用供熱地下:地熱含水層水平方向上水文參數(shù)、熱物性參數(shù)均勻一致;地熱井豎直穿越最底部主要含水層,且熱儲溫度恒定;含水層以上的井下?lián)Q熱器視為絕熱邊界條件;井內(nèi)流體的物性參數(shù)僅是溫度的函數(shù)。地上:供熱管網(wǎng)的散熱損失忽略不計;熱用戶或設(shè)備無蓄熱;不計其他熱源和太陽輻射熱;系統(tǒng)所涉及的傳熱均為穩(wěn)態(tài)傳熱。井下?lián)Q熱器與熱泵聯(lián)用的供熱系統(tǒng)原理如圖1所示,井下?lián)Q熱器加熱系統(tǒng)循環(huán)水,井下?lián)Q熱器的出水溫度ts足夠高時,不啟動熱泵直接到熱用戶;否則啟動熱泵,溫度升至t′s,回水溫度也從tb降至t′b。1.2計算熱負荷理論公式的導(dǎo)出1.2.1單通道口壓縮器th-2的散熱量在未加熱泵條件下,ts=t′s,tb=t′b。1)供熱指標以室內(nèi)溫度為18℃、室外環(huán)境空氣溫度為-9℃為標準,室內(nèi)向室外傳遞的熱量與二者溫差呈線性關(guān)系,建筑圍護結(jié)構(gòu)的散熱損失可以表示為Q1=Atqh(tr-ta)18-(-9)(1)Q1=Atqh(tr?ta)18?(?9)(1)式中Q1為圍護結(jié)構(gòu)散熱損失,W;At為總供熱面積,m2;qh為單位面積供熱指標,W/m2;tr為室內(nèi)溫度,℃;ta為環(huán)境溫度,℃。2)散熱器在室內(nèi)以自然對流方式散熱,溫差近似采用算術(shù)平均溫差形式,即Δt=ts+tb2-trΔt=ts+tb2?tr,散熱器的散熱量表示為Q2=A2K2Δt(其中A2為散熱器表面積,K2為散熱器的傳熱系數(shù)),由散熱器傳熱系數(shù)的經(jīng)驗公式得K2≈h空氣=α2Δtβ2(其中α2,β2為散熱器性能系數(shù)),因此,散熱器的散熱量可以表示為Q2=A2α2(ts+tb2-tr)1+β2(2)Q2=A2α2????????ts+tb2?tr????????1+β2(2)3)循環(huán)水通過熱用戶的散熱量Q3為Q3=Gcp(ts-tb)(3)Q3=Gcp(ts?tb)(3)式中G為循環(huán)水的質(zhì)量流量,kg/s;cp為水的比定壓熱容,J/(kg·K)。4)井下?lián)Q熱器在熱儲層內(nèi)的對流換熱量Q4為Q4=A1Κ(th-ts+tb2)(4)式中A1為井下?lián)Q熱器的換熱面積,m2;K為井下?lián)Q熱器的傳熱系數(shù),W/(m2·℃);th為熱儲溫度,℃。在以上4個方程式中,未知量為Q1,Q2,Q3,Q4,tr,ts,tb和K,由于忽略熱損失,即Q1=Q2=Q3=Q4=Q。因此,未知量減至5個,另外,井下?lián)Q熱器傳熱系數(shù)K是一個與熱儲溫度、運行狀況相關(guān)的參數(shù),即也是傳熱總負荷Q的函數(shù),因此,所求未知數(shù)只有Q,tr,ts和tb4個。通過式(1),(3),(4)將tr,ts,tb導(dǎo)成關(guān)于Q的式子,然后代入式(2),得Q=A2α2{th-QA1Κ-[18-(-9)]QqhAt-ta}1+β2(5)先對Q,K賦初值,再通過牛頓迭代公式xn+1=xn-f(xn)f′(xn)計算出Q,進而得到ts,tb,tr,然后重新確定井下?lián)Q熱器傳熱系數(shù)K,直至Q,K滿足精度要求。1Κ=1ho+ro2λlgrori+rohiri(6)式中ho為U形管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·℃);ri,ro分別為井下?lián)Q熱器U形管的內(nèi)、外徑,m;λ為井下?lián)Q熱器管子的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);hi為U形管中循環(huán)水受迫運動的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·℃)。ho的計算較為煩瑣,要先計算自然對流的瑞利數(shù)Ra,再計算努塞爾數(shù)Nu。根據(jù)文獻實驗?zāi)M的公式Nu=C1?C2·DC3RaC4(其中C1～C4為經(jīng)驗系數(shù),?=(ts-tb)/(th-tb),D為與井管直徑和井下?lián)Q熱器管徑有關(guān)的量綱一參數(shù),Ra=βgΔTH3/(αmν)(其中β為地熱水體積膨脹系數(shù),ΔT為地熱儲溫度與井下?lián)Q熱器管內(nèi)循環(huán)水平均溫度的差,H為熱儲層深度,αm為多孔介質(zhì)熱擴散系數(shù),ν為地熱水運動黏度))計算,最后通過ho=Nuλw/H求出ho,并通過式(6)得到K值。1.2.2井下?lián)Q熱器在熱儲層的對流換當供水溫度ts較低時,需要啟動熱泵提高供水溫度。其他環(huán)境條件不變,如室內(nèi)向室外的熱傳遞公式與未加熱泵相同。而散熱器與室內(nèi)的自然對流公式只需把式(2)中的ts改為t′s,循環(huán)水的熱平衡公式需把式(3)中ts改為t′s,井下?lián)Q熱器在熱儲層的對流換熱公式需把式(4)中tb改為t′b。由能量守恒,在加入熱泵后有Q1=Q2=Q3=Q4+P=Q(其中P為熱泵功率),由于多了2個未知量t′s和t′b,還需加入2個方程:Gcp(tb-t′b)=(CΟΡh-1)Ρ(7)Gcp(t′s-ts)=CΟΡhΡ(8)由文獻可知CΟΡh=10.376-0.24(t′s-t′b)+0.00187(t′s-t′b)2(9)將所有未知量導(dǎo)成關(guān)于Q的函數(shù),代入式(2)可得Q=A2α2{th-QA1Κ-[18-(-9)]QqhAt-ta+Ρ(1A1Κ+CΟΡhGcp-12Gcp)}1+β2(10)再利用牛頓迭代公式對Q,K,COPh進行迭代計算,方法同未加入熱泵的工況。2計算示例2.1計算與實例分析計算實例主要考慮了熱儲水文參數(shù)、井下?lián)Q熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)、供熱指標、散熱器參數(shù)等,見表1。計算結(jié)果如下。1各計算cK=258.3W/(m2·℃),ts=46.80℃,tb=31.89℃,tr=18.08℃,Qmax=124821W。2ts,tb,tr、qx,qxK=276.5W/(m2·℃),ts=49.30℃,t′s=55.29℃,tb=40.15℃,t′b=35.11℃,tr=18.52℃,COPh=6.27,Qmax=126753W。2.2熱泵比無熱泵時供熱效果的優(yōu)化效果通過實例得出的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)添加1臺熱泵可以使散熱器表面積A2減小240m2,并且供熱量也增大了。當取兩種系統(tǒng)散熱器表面積皆為700m2,循環(huán)水流量為3kg/s及其他參數(shù)都相同時,通過程序計算可以得到,在保證室內(nèi)溫度18.87℃的條件下,有熱泵比無熱泵情況下可以多滿足約400m2的供熱面積,即供熱面積可增加20%。添加1臺8kW的熱泵可以對系統(tǒng)供熱產(chǎn)生一定的優(yōu)化效果。但是熱泵運行過程中,環(huán)境溫度、循環(huán)水流量及散熱器換熱表面積的改變都會影響系統(tǒng)的運行結(jié)果。下文將分析有熱泵和無熱泵兩種工況下不同設(shè)計參數(shù)或不同運行參數(shù)對供熱負荷的影響。2.2.1供熱、回水溫度q和tr令循環(huán)水流量G=2.0kg/s、環(huán)境空氣溫度ta=-10℃,熱泵功率P=8kW,其他參數(shù)有熱泵與無熱泵情況均相同。在A2適合的范圍內(nèi),改變A2,得到供、回水溫度,室內(nèi)溫度和供熱負荷,結(jié)果見圖2。從圖2可以看出,有、無熱泵兩種情況下,隨著散熱器表面積的增加,各量的變化趨勢分別一致。其中供熱量Q和室內(nèi)溫度tr是逐漸增大的,而供、回水溫度ts和tb是逐漸減小的。當A2=800m2時,無熱泵:tr=18.85℃,ts=46.62℃,tb=31.30℃,Q=128227W;有熱泵:tr=22.12℃,ts=47.09℃,t′s=52.83℃,tb=40.15℃,t′b=30.10℃,Q=142741W。有熱泵比無熱泵時Q增加了約14500W,相當于從井下又多提取了6500W;有熱泵時散熱器供水溫度比無熱泵時提高了約6℃,而井下?lián)Q熱器的回水溫度降低了約1.2℃,由式(2)可知,散熱器進出口換熱溫差增大,對流換熱增強,房間溫度上升。有熱泵情況下的室內(nèi)溫度比無熱泵高3.27℃,滿足相同室內(nèi)溫度條件下,有熱熱泵情況下,可以增大供熱面積或減少室內(nèi)散熱器表面積。在供熱量相等的情況下,有熱泵時散熱器表面積大約為500m2左右,要比無熱泵情況下減少了近300m2。2.2.2供熱溫度和回水溫度分布假設(shè)ta=-10℃,P=8kW,有熱泵時A2=480m2,無熱泵時A2=700m2,且其他參數(shù)均相同,在1.6～3.6kg/s范圍內(nèi)對G等間隔地取10組數(shù)據(jù)進行分析。從圖3可以看出,隨著循環(huán)水流量的增大,供熱量Q、室內(nèi)溫度tr、回水溫度tb(t′b)呈現(xiàn)增大的趨勢,而供水溫度ts(t′s)則會逐漸減小。當G=2.4kg/s時,無熱泵:tr=18.34℃,ts=46.44℃,tb=33.91℃,Q=125944W;有熱泵:tr=18.49℃,ts=49.16℃,t′s=54.78℃,tb=41.79℃,t′b=37.56℃,Q=126615W。由以上數(shù)據(jù)可看出,當流量相同時(G≤2.4kg/s),有熱泵時的供熱量稍大于無熱泵條件下的供熱量;但隨著流量的增大(G>2.4kg/s),無熱泵時的供熱量高于有熱泵時的供熱量,主要原因是無熱泵情況下的室內(nèi)散熱器面積大,流量增加換熱增強。2.2.3熱風對室內(nèi)溫度和供熱水流量的影響令G=2.0kg/s,P=8kW,有熱泵時A2=480m2,無熱泵時A2=700m2,且其他參數(shù)均相同,在-12～4℃范圍內(nèi)對ta等間隔地取10組數(shù)據(jù)進行分析。從圖4可以看出,隨著環(huán)境溫度的升高,只有供熱量Q呈下降趨勢,而且幅度較大,而供、回水溫度及室內(nèi)溫度都是緩慢升高的。但由于室內(nèi)溫度要控制在18～21℃之間,當環(huán)境溫