地源熱泵設(shè)計(jì)研究：不同類型換熱器的地源熱泵系統(tǒng).doc

地源熱泵設(shè)計(jì)：不同類型換熱器的地源熱泵系統(tǒng)研究G. Yoon*1, K. Nakazawa*2, H. Niwa*3, H. Kitora*2, M. Okumiya*11.日本名古屋大學(xué)2.日本關(guān)西電力能源有限公司3.日株式會(huì)社建筑設(shè)計(jì)研究院摘 要：為了提高地源熱泵系統(tǒng)的普及率，有必要降低系統(tǒng)的初投資。因此，預(yù)先埋入熱交換器以節(jié)約初投資的施工方法目前正在積極發(fā)展。然而，許多時(shí)候這種方法受制于建筑的結(jié)構(gòu)。當(dāng)需安裝的換熱器多于此方法所支持的數(shù)目時(shí)，不同類型換熱器的復(fù)合應(yīng)用是一種很有用的方法。本文介紹了由水源熱泵和不同類型換熱器組成的地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程和技術(shù)支持。1.介紹由水源熱泵和不同類型換熱器組成的地源熱泵系統(tǒng)從土壤中取熱或排熱。通過從土壤中取熱或排熱，其效率比空氣源熱泵高。所以，地源熱泵系統(tǒng)能節(jié)約能源。此外，能減少排到空氣中的熱量，可有效減少城市的熱污染及熱島效應(yīng)。盡管系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，但打地埋管孔的費(fèi)用較高，造成地源熱泵系統(tǒng)初投資高。所以，如何降低這種系統(tǒng)的初投資是考慮的重點(diǎn)。最常見的是鉆孔，包括打孔、埋入地埋管和回填。這種換熱器打孔費(fèi)用最高。(Rybach, Eugster et al. 1992).為了降低換熱器費(fèi)用，積極發(fā)展嵌入式換熱管施工法，在這方面，提倡用現(xiàn)澆法和加入混合土墻法（soil mixing wall,SMW）(Gao, Zhang et al. 2008)。然而，此法受限于安裝該系統(tǒng)參數(shù)，這是由建筑物的大小和現(xiàn)狀決定的。例如，一些GHEs可安裝的數(shù)量受樁基的樁間距、數(shù)量和深度限制，以及混合土墻（soil mixing wall）長(zhǎng)度的限制。在地源熱泵對(duì)應(yīng)某一特定建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)中，不同類型的GHEs（地埋管換熱器）和鉆孔類型聯(lián)合起來可以產(chǎn)生高效率。此外，聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，它被認(rèn)為是具有最好性價(jià)比的聯(lián)合系統(tǒng)。本文在不同類型的地埋管交換器組合應(yīng)用基礎(chǔ)上，介紹和討論如何設(shè)計(jì)地埋管換熱器。2.系統(tǒng)概要圖1顯示研究中系統(tǒng)的布局。該系統(tǒng)由水源熱泵設(shè)備和多個(gè)GHEs組成 。圖1 ：工程系統(tǒng)的分布示意圖假設(shè)表1三種不同類型的GHEs都與熱泵機(jī)組耦合。流行的鉆孔型GHE由兩個(gè)插入鉆孔U形管聚氯乙烯組成。此外， GHEs的SMW工型使用混合土墻技術(shù)來安裝U形管，以降低成本鉆孔。最后方法包括利用現(xiàn)澆混凝土樁基。這些GHEs耦合并行熱泵設(shè)備。第3.2節(jié)有詳細(xì)說明。表1 ：三種類型的地埋管系統(tǒng)每一個(gè)單元的規(guī)格。（SMW類型串聯(lián)連接的U型循環(huán)；樁基礎(chǔ)類型；8個(gè)U形管）3.地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程3.1設(shè)計(jì)過程描述設(shè)計(jì)過程中的不同類型的GHEs地?zé)釤岜孟到y(tǒng)如下。第1步：確定熱負(fù)荷地源熱泵系統(tǒng)熱負(fù)荷由建筑的全部或部分熱負(fù)荷決定。當(dāng)熱負(fù)荷已確定，就能確定熱泵設(shè)備熱容量。此外，在此階段，建議粗略的估計(jì)安裝成本，建筑里GHEs數(shù)量上限。第2步：確定設(shè)計(jì)指標(biāo)，全年COP，冷熱季節(jié) 理想的做法是，地源熱泵系統(tǒng)COP等于或大于空氣源熱泵系統(tǒng)。第3步：設(shè)計(jì)GHEs組合確定加上熱泵的GHEs組合能滿足COP目標(biāo)。選定的系統(tǒng)應(yīng)該是各系統(tǒng)中最便宜的。如果組合系統(tǒng)不滿足COP目標(biāo)，則回到第一階段，地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱負(fù)荷需重新確定。第4步：驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)用適當(dāng)?shù)姆椒ù_定地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)際COP，如數(shù)值模擬分析。然而，在上述設(shè)計(jì)過程中的第3步，不能簡(jiǎn)單的確定最適當(dāng)?shù)慕M合。因此，有必要制定一個(gè)簡(jiǎn)單的方法用于確定最合適的組合GHEs 。3.2模擬地源熱泵系統(tǒng)模型3.2.1熱泵模型供暖運(yùn)行模式輸出：Q=4.79Tw+170.44（1）功率：W=0.22Tw+49.89（2）制冷模式輸出：Q=-1.47Tw+208.58（3）功率：W=0.95Tw+7.48（4）其中，Tw是GHEs出口溫度圖2 ：熱泵設(shè)備性能假定熱泵設(shè)備在額定輸出模式下熱源水量，加熱/冷卻恒定（乙二醇溶液， 含量20 ） 。熱泵的運(yùn)行性能曲線如圖2所示。通過GHEs出口熱源水溫計(jì)算輸出與熱泵功率，從換熱器流至熱泵的水源導(dǎo)致運(yùn)行效率的變化可看出來。3.2.2地埋管換熱器模型圖3所示為三種類型GHEs模型。雖然各種地源熱泵換熱器都是直徑為20mm的PVC管，U形管橫截面都轉(zhuǎn)換成一個(gè)長(zhǎng)方形，以簡(jiǎn)化模型和模擬(Yoon et al.,2006)。同時(shí)，轉(zhuǎn)換后可避免改變換熱面積和管道水流量。此外，盡管8個(gè)U形管在直徑2.2m混凝土樁基外排列成一個(gè)圓形，管間距變化不大時(shí)，構(gòu)建的模型可將其設(shè)為長(zhǎng)方形。除SMW工法，GHEs周圍的地面在模型中是作為一個(gè)長(zhǎng)方形計(jì)算域，長(zhǎng)和寬20m和深100m，如圖4所示。圖3 ：三種類型的GHEs模型除地埋管系統(tǒng)的頂部和底部取決于地面和地下100m深的情況外，所有的邊界條件均設(shè)定為絕熱。公式中的熱平衡計(jì)算域和地面如下所示。考慮了太陽(yáng)輻射和長(zhǎng)波輻射。假定底部溫度穩(wěn)定地保持在室外的年平均氣溫。地下100m有效導(dǎo)熱系數(shù)是1.75W/mK，有效熱容量是2366kJ/m3K 。在向地下排放的總熱量與提取的熱量之間存在差距，由以前的研究可知，這種系統(tǒng)運(yùn)行三年后就能達(dá)到周期性熱平衡。地下熱平衡地面熱平衡 圖4 ：計(jì)算域設(shè)SMW型的地面計(jì)算域在X軸為3m寬，因?yàn)閁形管間距調(diào)整為3m。此外，一面的計(jì)算域距機(jī)房0.8m，機(jī)房空氣溫度在任何時(shí)候都比室外高5。3.2.3計(jì)算過程計(jì)算過程如圖5 。經(jīng)過計(jì)算得出熱源水溫在每個(gè)GHE出口的水溫，流入熱泵的水溫，由流出GHE出口平均水溫得到。然后，熱泵消耗的電量和功率可以從熱泵運(yùn)行性能得到。接著，可計(jì)算出流回到GHEs的水溫并用于GHE計(jì)算模塊。水溫設(shè)定在-12C和52C之間。如果水溫在此范圍外，熱泵停止運(yùn)行。在上述條件下進(jìn)行仿真。進(jìn)行初步的模擬后，所有的模擬運(yùn)行時(shí)間為5月1日至次年4月30日。熱泵在5月1至 10月31日制冷，在12月1日和4月30日之間供熱。11月停止運(yùn)行。除節(jié)假日，熱泵每天在10:00 17點(diǎn)59分之間運(yùn)行，共八小時(shí)。圖5 ：計(jì)算過程基于如上所述數(shù)值模式，耦合GHE的熱泵系統(tǒng)模擬如圖6所示，這是設(shè)計(jì)組合GHEs所需要的。計(jì)算得到 GHE單位傳熱率、GHE出口季節(jié)性平均水溫、熱泵的COP，并繪制這些圖表。4.地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例和驗(yàn)證在本節(jié)中，實(shí)際GHEs（地埋管系統(tǒng)）組合的設(shè)計(jì)條件表2所示。表2 ：實(shí)例設(shè)計(jì)條件地源熱泵滿負(fù)荷50RT熱水源流量660lit/min（T=5）能安裝的GHEs的最大量鉆孔：沒有限制SMW：最多20組，樁埋管：最多2組安裝費(fèi)用SMW樁埋管鉆孔地源熱泵的目標(biāo)COP制冷COP：4.0供熱COP：4.0第1步：確定熱負(fù)荷地源熱泵系統(tǒng)的熱負(fù)荷為50RT。第2步：確定的設(shè)計(jì)指標(biāo)，全年COP，冷熱季節(jié) 。要求制冷COP4.0,制熱COP3.4。第3步：設(shè)計(jì)組合GHEs首先，從圖5 COP為 4.0的線可確定水流速 。這個(gè)例子表明，鉆孔類型水的流速為0.41m/s， SMW類型0.47 m/s，C.P.類型0.23 m/s，水流量分別為15.5 L/min， 8.85 L/min，和35.0 L/min，此外，三種類型的GHEs季平均水溫如圖所示。由于每個(gè)GHE水溫幾乎相同（ 33.5 C），可以說，這些有熱泵的GHEs在制冷季節(jié)可以提供溫度約33.5C的水。這表明，該系統(tǒng)能滿足制冷季節(jié)目標(biāo)COP。此外，通過做垂直線與水流速度和COP線的交點(diǎn)，得到季節(jié)平均水溫。溫度分別是2.59C ， 6.05C和2.67C，季節(jié)平均COP為3.6 ， 3.8和3.6 。相應(yīng)的，流入熱泵的季節(jié)平均溫度處于2.59 6.05C ，制熱季節(jié)平均COP保持在3.6 3.8 。圖6 ：使用的設(shè)計(jì)圖實(shí)例其結(jié)果是，各GHE單位水流量分別為15.5L/min ， 8.85 L/min，和35.0 L/min，其水流量必須滿足下列方程。在這里，Vtotal是熱泵熱水源水流量（660L/min）， N為各GHE對(duì)應(yīng)的單元數(shù)量。因此，從SMW和GHE單位基樁C.P.數(shù)量，確定必要鉆孔GHE的單位數(shù)量是27 。第4步：驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用數(shù)值解析模型模擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際COP結(jié)果如圖7所示。平均制冷COP：4.05，制熱COP：3.67，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的GHEs組合系統(tǒng)滿足目標(biāo)COP。圖7 ：實(shí)際COP仿真結(jié)果5.結(jié)論通過不同類型的GHEs組合，能有效降低地源熱泵系統(tǒng)初始成本。本文給出了結(jié)合不同類型的GHEs的設(shè)計(jì)過程與圖，以確定最適合的GHEs組合，實(shí)現(xiàn)理想的性能。參考文獻(xiàn)：Gao, J., X. Zhang, et al. (2008). Thermal performance and ground temperature of vertical pile-foundation heat exchangers: A case study. Applied Thermal Engineering28(17-18): 2295-2304. Rybach, L., W. J. Eugster, et al. (1992). Borehole Heat Exchangers: Long-Term Operational Characteristics of a Decentral Geothermal Heating System. Geothermics21(5-6): 861-867. Yoon, G., Okumiya, M. et al., (2006). “STUDY ON GHP SYSTEM WITH A VERTICAL EARTH PIPE HEAT EXCHANGER”, ECOSTOCK 2006, The Tenth International Co