GSHP換熱器模型.doc

gshp系統(tǒng)是以大地為冷源（或熱源），通過(guò)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(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)與大地進(jìn)行熱量交換的目的，并進(jìn)而通過(guò)熱泵實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的空調(diào)。gshp空調(diào)系統(tǒng)主要包括三個(gè)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(gè)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(guó)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(diǎn)推廣項(xiàng)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(guó)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(kāi)發(fā)的水平螺旋狀和扁平曲線狀。實(shí)踐證明, 水平換熱器的壽命較長(zhǎng)。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(pán)管; (4) 大直徑的螺旋盤(pán)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(zhǎng)度有兩種方法: 一是估算法; 二是計(jì)算機(jī)模擬法. 所謂估算法就是首先根據(jù)建筑物的峰值冷負(fù)荷或熱負(fù)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(cè)中給定的單位管長(zhǎng)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(zhǎng)度. 這種方法簡(jiǎn)單, 比較適合工程設(shè)計(jì), 但是系統(tǒng)的負(fù)荷大部分時(shí)間是處于部分負(fù)荷狀態(tài), 因此按照峰值負(fù)荷確定的地?zé)釗Q熱器的長(zhǎng)度往往過(guò)于保守, 這也增加了地?zé)釗Q熱器的投資. 另外由于國(guó)內(nèi)對(duì)地源熱泵方面所做的研究工作多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)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(wú)法利用該方法準(zhǔn)確確定換熱器的長(zhǎng)度.計(jì)算機(jī)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(jì)算軟件, 通過(guò)輸入土壤的熱物性參數(shù)和建筑物的負(fù)荷來(lái)確定地?zé)釗Q熱器的長(zhǎng)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(zhǎng)度的換熱量、連續(xù)運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)間內(nèi)鉆孔的傳熱半徑. 鉆孔的傳熱半徑可通過(guò)模擬軟件計(jì)算.豎直埋管地?zé)釗Q熱器的傳熱模型對(duì)于地?zé)釗Q熱器，其整個(gè)傳熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)的傳熱過(guò)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(duì)地?zé)釗Q熱器的傳熱產(chǎn)生影響。在工程實(shí)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(jiǎn)化假定分別進(jìn)行分析。熱阻分析：熱流從管內(nèi)流體傳到遠(yuǎn)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(duì)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(yuǎn)處的熱阻。有關(guān)地埋管換熱器的傳熱，迄今為止還沒(méi)有普遍公認(rèn)的模型和規(guī)范。國(guó)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(jì)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(gè)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?fù)Q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(duì)小管徑、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(jì)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(shí)際上是一種改進(jìn)了的線熱源理論，它和線熱源理論的不同點(diǎn)在于它考慮了盤(pán)管內(nèi)流體的流動(dòng)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(duì)埋管換熱器長(zhǎng)期運(yùn)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(yuǎn)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(dòng)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(guò)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(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的簡(jiǎn)化傳熱模型。對(duì)鉆孔以外部分，代表性的模型有無(wú)限長(zhǎng)線熱源模型、有限長(zhǎng)線熱源模型和柱熱源模型。實(shí)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(wú)限長(zhǎng)線熱源模型和無(wú)限長(zhǎng)柱熱源模型均未考慮到地表邊界的傳熱影響，有限長(zhǎng)線熱源模型更接近于實(shí)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(guò)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(yùn)行數(shù)小時(shí)后，通常可按穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程來(lái)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(dāng)量直徑法將鉆孔內(nèi)u型管簡(jiǎn)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(gè)線熱源, 鉆孔壁的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)應(yīng)該是這兩個(gè)線熱源產(chǎn)生的過(guò)余溫度場(chǎng)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(guò)于粗糙也不合理，也無(wú)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(lái)。為此提出了準(zhǔn)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(zhǔn)三維模型。鉆孔內(nèi)的傳熱模型針對(duì)u型管、w型管、套管式換熱器各有其具體的表達(dá)式。第二類模型是離散數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)的傳熱模型，可以考慮更接近現(xiàn)實(shí)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(jìn)行傳熱分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值方法以其適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)已成為傳熱分析的基本手段，和進(jìn)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(jì)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(guò)充分認(rèn)識(shí)多熱源群井的特性關(guān)系, 諸如初始溫度、井徑、熱負(fù)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(yùn)行模式的控制方法。實(shí)現(xiàn)地域空間的地能充分利用。(1) 群井系統(tǒng)運(yùn)行時(shí), 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(yùn)行時(shí)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(gè)布井區(qū)域溫度場(chǎng)變化。隨系統(tǒng)在供暖工況下運(yùn)行, 整個(gè)溫度場(chǎng)溫度總體趨勢(shì)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(yùn)行的重要因素, 初始溫度提高1倍(12 24 ) , 系統(tǒng)運(yùn)行至約定極限溫度時(shí), 運(yùn)行時(shí)間和輸出總熱量增加約24倍, 整體溫度場(chǎng)降幅明顯, 地能利用更加充分, 換熱過(guò)程中地溫下降平緩, 有利于機(jī)組運(yùn)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(fù)荷變小, 井壁周圍地溫變化趨緩, 有利于系統(tǒng)更長(zhǎng)時(shí)間保持較地溫。大負(fù)荷運(yùn)行時(shí), 井徑影響尤為明顯。(4) 對(duì)不同井徑系統(tǒng)改變負(fù)荷, 小井徑系統(tǒng)負(fù)荷因素影響更加敏感。采用低負(fù)荷大井徑方式有利于系統(tǒng)高效運(yùn)行和能量利用, 但不利于經(jīng)濟(jì)性的提高。(5) 總負(fù)荷相同時(shí), 小間距密排布井使整體溫度場(chǎng)變化明顯, 地域空間利用率提高, 但應(yīng)避免井間過(guò)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(jì)算機(jī)程序或者軟件進(jìn)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(duì)埋管換熱性能的影響；管長(zhǎng)對(duì)埋管換熱性能的影響；進(jìn)水溫度對(duì)埋管換熱性能的影響；埋管形式對(duì)埋管換熱性能的影響；支管的間距等結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)埋管換熱性能的影響；地下滲流對(duì)埋管換熱性能的影響；土壤初始溫度場(chǎng)分布：在理論模型計(jì)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(gè)分區(qū)。變溫帶：由于受太陽(yáng)輻射的影響，其溫度有著晝夜、年份、世紀(jì)、甚至更長(zhǎng)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(diǎn), 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(dòng)的周期較小, 工程上一般忽略地表溫度日周期性變化對(duì)地溫的影響. 地溫ts(x,) 隨地層深度x和時(shí)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(shí)間,h； ts(x ,) 為在時(shí)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(dòng)波幅, ；w 為溫度年周期性波動(dòng)頻率,w = 2/t = 0. 00071725；t 為溫度年波動(dòng)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(lái)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(xiàn)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 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