豎直地埋管換熱器設(shè)計原理與模擬軟件
崔萍 刁乃仁 張方方 方肇洪
崔萍 刁乃仁 張方方 方肇洪
省部共建教育部可再生能源建筑利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
山東建筑大學(xué)
山東中瑞新能源科技有限公司
山東省淺層地?zé)崮芙ㄖ?yīng)用工程技術(shù)中心
摘要：本文介紹了豎直地埋管換熱器的理論傳熱模型及其解析解，以及根據(jù)這一模型開發(fā)并完善的地埋管換熱器設(shè)計和模擬計算軟件“地?zé)嶂荊eoStar V3.0”。該軟件可分別對豎直埋管地源熱泵與太陽能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行地埋管換熱器的優(yōu)化設(shè)計與性能模擬，設(shè)計模擬結(jié)果包括：地埋管換熱器設(shè)計長度與換熱量、系統(tǒng)熱泵能耗、孔壁的溫度變化以及周邊土壤的溫度響應(yīng)。最后通過與國外同行軟件對比及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，軟件中采用的理論傳熱模型和設(shè)計計算方法可以較精確地用于指導(dǎo)工程實(shí)踐與相關(guān)的科研項目。
關(guān)鍵詞：地源熱泵，地埋管換熱器，設(shè)計模擬軟件，太陽能
一、引言
豎直埋管地源熱泵技術(shù)利用可再生的淺層地?zé)崮芡ㄟ^熱泵機(jī)組對建筑物實(shí)現(xiàn)供暖，空調(diào)及提供生活用熱水。該技術(shù)以其節(jié)能環(huán)保，符合可持續(xù)發(fā)展策略等優(yōu)勢在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[1~2]。近年來在我國各級政府許多優(yōu)惠政策的大力推動下，地埋管熱泵市場發(fā)展迅速，尤其是豎直埋管的地埋管熱泵系統(tǒng)在我國得到了快速發(fā)展。然而據(jù)市場調(diào)研，部分已建地埋管熱泵項目存在不同程度的問題，例如有的系統(tǒng)運(yùn)行效率低，實(shí)測能效比甚至低于2.8，有的系統(tǒng)出現(xiàn)冬季不熱或夏季不冷的現(xiàn)象。筆者認(rèn)為出現(xiàn)這些問題的主要原因在于地埋管換熱器的設(shè)計計算不合理。許多工程直接以“每延米換熱量”指標(biāo)進(jìn)行估算，如此估算所得的地埋管換熱器將導(dǎo)致設(shè)計尺寸偏大初投資高或者尺寸偏小系統(tǒng)運(yùn)行不可靠等各種問題。
實(shí)際上，地埋管換熱器的設(shè)計計算應(yīng)綜合考慮地域氣候、建筑物類型、以及冷熱負(fù)荷均衡性等各種因素的影響，因此，地埋管熱泵系統(tǒng)的準(zhǔn)確設(shè)計在很大程度上依賴于地埋管換熱器的優(yōu)化設(shè)計。目前關(guān)于豎直地埋管換熱器的傳熱分析及其計算方法主要有三種，分別是工程設(shè)計用的半經(jīng)驗(yàn)公式方法，地埋管換熱器的數(shù)值計算方法以及基于疊加原理的方法，上期?？恼轮幸言敿?xì)介紹過前兩種設(shè)計計算方法。本文主要介紹基于線性疊加原理的設(shè)計計算方法及其設(shè)計模擬軟件。
二、基于疊加原理的傳熱模型
豎直地埋管換熱器通常由多個鉆孔組成，單個鉆孔的傳熱是換熱器傳熱分析的基礎(chǔ)。鑒于問題的復(fù)雜性，多數(shù)傳熱模型均以鉆孔壁為界面，把所涉及的空間區(qū)域分為鉆孔外的巖土部分與鉆孔內(nèi)部兩部分。
注：本文為《地源熱泵》“本期專題”連載內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載。如果您對污水源熱泵空調(diào)方面有任何問題，歡迎來電或給我們發(fā)送電子郵件，我們將選擇部分典型問題擇期在《地源熱泵》雜志上統(tǒng)一刊登和解答。
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