GSHP換熱器模型.doc

gshp系統(tǒng)是以大地為冷源（或熱源），通過中間介質(zhì)（通常是水或防凍液）作為熱載體，并使中間介質(zhì)在封閉環(huán)路(通常是塑料管組成)中循環(huán)流動，從而實現(xiàn)與大地進行熱量交換的目的，并進而通過熱泵實現(xiàn)對建筑物的空調(diào)。gshp空調(diào)系統(tǒng)主要包括三個回路：用戶回路、制冷回路和地下?lián)Q熱器回路。根據(jù)需要也可以增加第四個回路生活熱水回路。地源熱泵是一種新型的高效、節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng), 是我國調(diào)整能源利用結(jié)構(gòu), 發(fā)展利用可再生能源策略的重點推廣項目之一。有蓄能作用！水平埋管就是將塑料管水平敷設(shè)在離地面1 2m的地溝內(nèi). 水平埋管的地?zé)釗Q熱器受地表氣候變化的影響, 效率較低, 而且占地的面積比較大, 在國內(nèi)建筑物比較密集的情況下, 它的使用受到一定的限制. 水平埋管的地?zé)釗Q熱器有以下幾種形式: (1) 水平單管; (2) 水平雙管; (3) 水平四管; (4) 水平六管（5）新開發(fā)的水平螺旋狀和扁平曲線狀。實踐證明, 水平換熱器的壽命較長。豎直埋管就是在地層中垂直鉆孔, 孔的深度一般在30 150 米. 在豎直埋管方式中,由于地下深層土壤溫度比較恒定, 占地面積小, 因此在地源熱泵工程中得到了廣泛的應(yīng)用. 豎直埋管的地?zé)釗Q熱器的形式有以下幾種: (1) 單u型管; (2) 雙u型管（或w型管）; (3) 小直徑螺旋盤管; (4) 大直徑的螺旋盤管; (5) 立式柱狀; (6) 蜘蛛狀. 在豎直埋管換熱器中, 目前應(yīng)用最為廣泛的是單u型管。確定地?zé)釗Q熱器的長度有兩種方法: 一是估算法; 二是計算機模擬法. 所謂估算法就是首先根據(jù)建筑物的峰值冷負荷或熱負荷確定出地?zé)釗Q熱器的放熱量或吸熱量, 然后確定地?zé)釗Q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地?zé)釗Q熱器的長度. 這種方法簡單, 比較適合工程設(shè)計, 但是系統(tǒng)的負荷大部分時間是處于部分負荷狀態(tài), 因此按照峰值負荷確定的地?zé)釗Q熱器的長度往往過于保守, 這也增加了地?zé)釗Q熱器的投資. 另外由于國內(nèi)對地源熱泵方面所做的研究工作多數(shù)仍處于實驗研究階段, 有關(guān)地?zé)釗Q熱器在不同土壤溫度和不同類型土壤的傳熱特性的數(shù)據(jù)比較缺乏, 因此目前還無法利用該方法準確確定換熱器的長度.計算機模擬法是根據(jù)建立的地?zé)釗Q熱器的傳熱模型編制出相應(yīng)的計算軟件, 通過輸入土壤的熱物性參數(shù)和建筑物的負荷來確定地?zé)釗Q熱器的長度.鉆孔間距的大小是由鉆孔的傳熱半徑?jīng)Q定的, 而鉆孔單位長度的換熱量、連續(xù)運行時間及土壤的熱物性決定了鉆孔的傳熱半徑的大小. 理想情況是鉆孔間距應(yīng)大于連續(xù)運行時間內(nèi)鉆孔的傳熱半徑. 鉆孔的傳熱半徑可通過模擬軟件計算.豎直埋管地?zé)釗Q熱器的傳熱模型對于地?zé)釗Q熱器，其整個傳熱過程是一個復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程，諸如土壤的熱物性、含水量、土壤溫度、埋管材料、管子直徑、管內(nèi)流體的物性、流速等都對地?zé)釗Q熱器的傳熱產(chǎn)生影響。在工程實際應(yīng)用的模型中，通常都以鉆孔壁為界，把所涉及的空間區(qū)域化分為鉆孔以外的巖土部分和鉆孔內(nèi)部區(qū)域兩部分, 采用不同的簡化假定分別進行分析。熱阻分析：熱流從管內(nèi)流體傳到遠離鉆孔的恒溫地層中需要克服的熱阻由四部分組成：a.流體至管道內(nèi)壁的對流換熱熱阻；b.塑料管壁的導(dǎo)熱熱阻；c.鉆孔內(nèi)部的導(dǎo)熱熱阻，即由管道外壁到鉆孔壁的熱阻；d.地層的熱阻，即由鉆孔壁到地層遠處的熱阻。有關(guān)地埋管換熱器的傳熱，迄今為止還沒有普遍公認的模型和規(guī)范。國際上現(xiàn)有的傳熱模型大體上可分為兩大類。第一類是以熱阻概念為基礎(chǔ)的解析解模型，第二類是以離散化數(shù)值計算為基礎(chǔ)的數(shù)值解模型。第一類模型通常都是以鉆孔壁為界將地埋管換熱器傳熱區(qū)域分為兩個區(qū)域。地埋管換熱器傳熱模型的理論基礎(chǔ)是：（1）1948年ingersoll和plass提出的線熱源理論。該理論是把埋地換熱器的埋管中心軸視為一線熱源，以該軸為中心呈輻射狀以定熱流形式向周圍土壤傳熱。該模型對小管徑、長時間運行的系統(tǒng)具有較高的精度，是目前大多數(shù)土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)。（2）carslaw和jaeger提出的圓柱熱源理論(包括定壁溫和定熱流兩種模型)。該模型理論實際上是一種改進了的線熱源理論，它和線熱源理論的不同點在于它考慮了盤管內(nèi)流體的流動性能特征。deerman和kavanaugh把這一理論發(fā)展為變熱流的情況，使得對埋管換熱器長期運行工況的模擬結(jié)果更加精確。（3）1986年v. c. mei等人提出的建立在能量平衡基礎(chǔ)上的三維瞬態(tài)遠邊界傳熱模型。該模型有別于線熱源理論，考慮了土壤凍結(jié)相界面的移動以及回填土等因素的影響。（4）建立在能量平衡和質(zhì)量平衡基礎(chǔ)上，綜合考慮傳熱傳濕相互藕合過程的瞬態(tài)傳熱模型。a鉆孔壁以外區(qū)域的傳熱模型目前, 國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的簡化傳熱模型。對鉆孔以外部分，代表性的模型有無限長線熱源模型、有限長線熱源模型和柱熱源模型。實際工程中，由于每年向地下排放的熱量和提取的熱量的不平衡，而導(dǎo)致地下土壤溫度的變化。無限長線熱源模型和無限長柱熱源模型均未考慮到地表邊界的傳熱影響，有限長線熱源模型更接近于實際情況。b鉆孔內(nèi)區(qū)域的傳熱模型鉆孔內(nèi)的區(qū)域, 包括回填材料，管壁和管內(nèi)傳熱介質(zhì)，與鉆孔外的傳熱過程相比較，由于其幾何尺度和熱容量要小得多，而且溫度變化較為緩慢，因此在運行數(shù)小時后，通常可按穩(wěn)態(tài)傳熱過程來考慮其熱阻。在鉆孔內(nèi)的傳熱模型可以歸結(jié)為以下幾種：一維模型、二維模型。一維模型就是依據(jù)當量直徑法將鉆孔內(nèi)u型管簡化為一根管子。 二維模型，就是將u 型管的兩根支管看作兩個線熱源, 鉆孔壁的穩(wěn)態(tài)溫度場應(yīng)該是這兩個線熱源產(chǎn)生的過余溫度場的迭加。一維和二維模型由于均未考慮鉆孔內(nèi)u型管兩支管之間的熱短路, 因此模型過于粗糙也不合理，也無法將地?zé)釗Q熱器的換熱量與u型管內(nèi)流體溫度聯(lián)系起來。為此提出了準三維模型，即在二維模型的基礎(chǔ)上，考慮流體溫度沿深度方向的變化，此模型即為準三維模型。鉆孔內(nèi)的傳熱模型針對u型管、w型管、套管式換熱器各有其具體的表達式。第二類模型是離散數(shù)值計算為基礎(chǔ)的傳熱模型，可以考慮更接近現(xiàn)實的情況，采用有限元或有限容積法求解地下的溫度響應(yīng)并進行傳熱分析。隨著計算機技術(shù)的進步，數(shù)值方法以其適應(yīng)性強的特點已成為傳熱分析的基本手段，和進行地埋管換熱器理論研究的重要工具。管群的熱分析模擬計算是解決多熱源群井應(yīng)用中復(fù)雜因素交織關(guān)聯(lián)關(guān)系的重要手段。通過充分認識多熱源群井的特性關(guān)系, 諸如初始溫度、井徑、熱負荷、排列布置等影響特性和規(guī)律, 建立群井適配控制方法和技術(shù), 提出合理布置、優(yōu)化系統(tǒng)運行模式的控制方法。實現(xiàn)地域空間的地能充分利用。(1) 群井系統(tǒng)運行時, 各單井周圍溫度變化規(guī)律與相同條件下的單井系統(tǒng)運行時周圍溫度變化規(guī)律相近, 不同之處在于群井間可能發(fā)生傳熱交互影響, 引起整個布井區(qū)域溫度場變化。隨系統(tǒng)在供暖工況下運行, 整個溫度場溫度總體趨勢下降,且逐漸趨于平穩(wěn)。(2) 大地初始溫度是決定土壤源熱泵運行的重要因素, 初始溫度提高1倍(12 24 ) , 系統(tǒng)運行至約定極限溫度時, 運行時間和輸出總熱量增加約24倍, 整體溫度場降幅明顯, 地能利用更加充分, 換熱過程中地溫下降平緩, 有利于機組運行性能提高。(3) 在輸出相同功率條件下, 增大井徑使井壁單位面積熱負荷變小, 井壁周圍地溫變化趨緩, 有利于系統(tǒng)更長時間保持較地溫。大負荷運行時, 井徑影響尤為明顯。(4) 對不同井徑系統(tǒng)改變負荷, 小井徑系統(tǒng)負荷因素影響更加敏感。采用低負荷大井徑方式有利于系統(tǒng)高效運行和能量利用, 但不利于經(jīng)濟性的提高。(5) 總負荷相同時, 小間距密排布井使整體溫度場變化明顯, 地域空間利用率提高, 但應(yīng)避免井間過分傳熱交互干涉。影響因素分析：在一定的假設(shè)條件下，建立埋管傳熱傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，借助于計算機程序或者軟件進行影響因素分析：土壤初始溫度分布土壤及回填材料熱物性管中流量對埋管換熱性能的影響；管長對埋管換熱性能的影響；進水溫度對埋管換熱性能的影響；埋管形式對埋管換熱性能的影響；支管的間距等結(jié)構(gòu)尺寸對埋管換熱性能的影響；地下滲流對埋管換熱性能的影響；土壤初始溫度場分布：在理論模型計算中, 需要大地初始溫度. 常用的兩種模型如下：a 土壤初始溫度均勻一致。b 土壤初始溫度按深度方向呈現(xiàn)三個分區(qū)。變溫帶：由于受太陽輻射的影響，其溫度有著晝夜、年份、世紀、甚至更長的周期性變化；由于受地表溫度年周期性變化和日周期性變化的影響, 大地初始溫度ts也具有周期性特點, 并且其變化的幅值隨地層深度的增加呈自然指數(shù)規(guī)律減小. 考慮到日周期性波動的周期較小, 工程上一般忽略地表溫度日周期性變化對地溫的影響. 地溫ts(x,) 隨地層深度x和時間的變化按kusuda分析模型為：式中: x 為從地表面算起的地層深度,m；為從地表面溫度年波幅出現(xiàn)算起的時間,h； ts(x ,) 為在時該深度x 處的地溫, ；tm為地表面年平均溫度, ；am為地表面年周期性波動波幅, ；w 為溫度年周期性波動頻率,w = 2/t = 0. 00071725；t 為溫度年波動周期, t = 8760h；為大地導(dǎo)溫系數(shù),m2/s。恒溫帶：其溫度變化幅度幾乎等于零；增溫帶：在恒溫帶以下，溫度隨深度增加而升高，其熱量的主要來源是地球內(nèi)部的熱能。例如天津變溫帶約在15m左右，1530m為恒溫帶，恒溫帶溫度為13.5，30m以下為增溫帶。另外，夏熱冬冷地區(qū)地溫平均溫度在15 - 20左右。參考文獻s. kavanaugh. design consideration for ground and water source heat pump s in southern climates j . ashrae transact ions, 1989, 95 (1) : 113921148.per eskillson. thermal analysis of heat extract ion bore holesm. dep. of mathematical physics university of l und, sweden, 1987.cane r l d, forgas d a. modeling of gshp performance. in: ashrae trans. 1991，97(1). 909-925ingersoll l r, plass h j. theory of the ground pipe heat source for the heat pump. hpac, 1948, 20(7):119-122ingersoll l r, zobel o j, ingersoll a c. heat conduction with engineering, geological and other applications. new york: mcgraw-hill co, 195carslaw h s, jaeger j c. conduction of heat in solids. oxford: claremore press, 1947. 260-265carslaw h s, jaeger j c. conduction of heat in solids. 2nd ed. oxford: oxford university press,1959. 260-265deer-man j d, kavanaugh s p. simulation of vertical u-tube ground-coupled heat pump systems using the cylindrical heat source solution. in: ashrae trans.1997, 1030). 287-295mei v c, fischer s k. vertical concentric tube ground-coupled heat exchangers. in: ashrae trans. 1983, 89(2). 391-406mei v c, baxter v d. performance of a ground-coupled heat pump with multiple dissimilar u-tube coils in series. in: ashrae trans. 1986，92(2). 30-41mei v c. new approach for analysis of ground coil design for applied heat pump systems. in: ashrae trans. 1985, 91(2). 1216-1224tarnawski vr effect of snow cover on ground heat pump performance and soil moisture freezing. international j of refrigeration, 1989，12(3):71-76piechowski m. heat and mass transfer model of a ground heat exchanger: theoretical development. international j of energy research, 1999，23(7): 571-588couvillion r j, hartley j g. low-intensity heat and m