土壤源热泵空调系统的设计.doc

土壤源热泵空调系统的设计 1.1地埋管换热器传热分析 地源热泵技术规Oklahoma State University）提议的方法 [16] 影响最大。对于竖直埋管的地埋管换热器，该方法的要点如下： 首先收集和确定一组设计所需的初始数据，包括当地的气象数据和岩土的性质以及传热特性、选用的热泵的特性、建筑供热和供冷的负荷、选用的管材的特性等。然后根据最冷的一月份和最热的七月份计算地埋管换热器所需的长度。它也可以根据能量分析的温频法计算系统全供热季和供冷季的平均性能和能耗。 计算地埋管换热器所需的长度时按以下步骤： （1）确定埋管的平面布置并计算岩土的传热热阻。设计者必须先确定管群的布置形式及其间距。对于一些选定的布置形式，这一方法基于Kelvin线热源理论并以连续运行1500小时为基准计算了岩土的热阻，并以图表的形式给出计算结果以供设计时选用。 该方法定义单个钻孔地埋管换热器的岩土热阻为 （7－3） 其中 ，是指数积分；rb是钻孔的半径，a和分别是岩土的平均热扩散率和导热系数，τ是运行的时间。文献中 [16] 给出按以上定义的指数积分的近似计算公式为 对于 对于 对于多个竖直钻孔的地埋管换热器，该方法定义岩土的热阻为 (7－4) 其中 是钻孔本身的埋管引起的热阻， 分别是与所考虑的钻孔的距离为SDi 的钻孔中的埋管对该钻孔的热干扰引起的热阻。 （2）对于钻孔内的热阻，该方法采用一维简化模型，即把钻孔内的两根或四根管子假想为一根“当量管”。该当量管的外半径为 (7－5) 其中 n 是钻孔中埋管的根数，对于单U型管 n=2；对于双U型管 n=4。 管壁的传热热阻为 (7－6) 其中do 和di 分别是管子的外径和内径，de 是当量管的外径，是管壁的导热系数。 （3）确定热泵的最高和最低进水温度，计算供热和供冷的运行份额。 该方法推荐供热工况时最低进水温度值为比当地最低气温高16－22℃；推荐的供冷工况的最高进水温度一般为37℃，但在南方可考虑高达40.5℃。根据选定的最高和最低进水温度和选用的热泵，可以确定热泵的制冷量和制热量以及制冷和制热的性能系数COPC 和 COPH。 供热和供冷的运行份额由下式确定： (7－7) (7－8) （4）计算地埋管换热器钻孔总长度 根据以上计算得到的数据，可以分别计算满足供热和供冷所需的地埋管换热器钻孔总长度： (7－9) (7－10) 其中下标H代表供热，C代表供冷；此外L是钻孔的长度，CAP是热泵的在设计进水温度下的额定出力（制热或制冷量），COP是热泵的性能系数，F 是运行份额，Rp和Rs分别是管壁的热阻和岩土的热阻，是地下未受干扰时的平均温度，Tmax和Tmin分别为最高和最低进水温度。 为同时满足供热和供冷的需要，应采用LH和LC中的较大者作为设计钻孔总长度。 （5）逐月能量分析。 利用以上的公式，还可以用温频法进行逐月的能量分析。由于地下的温度随时间不断变化，热泵的进水温度（因而热泵的COP）也随时间变化，因此必须采用试算法，计算过程很繁琐。此外，由于采用半经验的简化公式，得到的结果的可靠性也不高。在这里略去IGSHPA方法中能量分析的介绍。感兴趣的读者可以参阅文献 [15，16]。 2、地埋管换热器的数值计算 自上个世纪八十年代以来，关于地埋管换热器传热的数值分析研究非常多，这些研究的目的不尽相同，建立的数学模型的复杂程度不同，采用的离散化和计算的方法也各不相同。其中较早而又影响较大的研究应首推美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的Mei等人工作[19-22]。Mei等人采用有限差分法求解了描述岩土和管内流体中的温度分布。与IGSHPA的模型不同，他们的竖直地埋管换热器模型考虑了地表和埋管的有限长度的影响、地层在深度方向的分层及含湿量的变化、土壤中可能发生的冻融现象等复杂的因素。不过他们的模型是柱坐标中的二维模型，因此主要讨论了单孔的套管式地埋管换热器，对于U型管式的地埋管换热器则采用前面曾提及“当量管”的方法简化为轴对称的问题，因而回避了需要讨论在横截面中周向传热而计算三维传热问题的困难。 差不多在同一时期，美国的布卢克黑文国家实验室（Blookhaven National Laboratory）的Metz 和Andrew 等人也进行了关于地埋管换热器传热分析的数值研究 [25-27]。与Mei的方法不同，他们采用有限元法求解岩土中的三维非稳态温度分布。不过限于当时的计算条件，他们的计算程序不是像经典的有限元法那样把区域划分为单元或网格，而只是把计算区域分成若干“块”，因而可以节省计算机的存储空间并提高计算速度。 其后各种关于地