豎直地埋管換熱器設計方法與應用
崔萍1，2，3 刁乃仁1，2,3方肇洪3
1. 省部共建教育部可再生能源建筑利用技術(shù)重點實驗室；
2.山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室；3.山東建筑大學地源熱泵研究所 濟南，250101
崔萍1，2，3 刁乃仁1，2,3方肇洪3
1. 省部共建教育部可再生能源建筑利用技術(shù)重點實驗室；
2.山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室；3.山東建筑大學地源熱泵研究所 濟南，250101
摘要：本文針對地源熱泵應用大型化的工程實際，提出了采用代表性鉆孔代替最不利鉆孔來進行地埋管換熱器的傳熱分析，提高了地埋管換熱器設計計算的準確性；并給出了地埋管換熱器的設計步驟與計算流程。最后本文利用升級版的GeoStar設計軟件對學校建筑的地埋管換熱器進行了優(yōu)化設計與分析。分析結(jié)果表明在山東地區(qū)學校建筑中采用地埋管熱泵系統(tǒng)是可行的，具有較高的能效比。
關(guān)鍵詞：地埋管換熱器，設計方法，代表性鉆孔
引言
地埋管換熱器設計的基本任務是在給定一系列設計參數(shù)的條件下（如當?shù)氐臍夂驐l件，地質(zhì)條件，建筑物冷熱負荷，U型管尺寸，熱泵參數(shù)，巖土參數(shù)等），確保在系統(tǒng)整個運行期間內(nèi)循環(huán)液的溫度保持在限定的范圍內(nèi)，以保證系統(tǒng)的運行性能達到設計要求[1]。要達到這一目的應先建立精確的地埋管換熱器傳熱模型。
豎直地埋管換熱器由多個鉆孔組成，各鉆孔之間一般均為并聯(lián)連接，通常在設計計算時假設每個鉆孔的流量及承擔的換熱量均相同。因此可以選擇一個代表性鉆孔進行傳熱計算，并結(jié)合建筑負荷與設計參數(shù)進行地埋管鉆孔長度設計或性能模擬。單個鉆孔的傳熱是換熱器傳熱分析的基礎(chǔ)。鑒于問題的復雜性，工程上在處理單個鉆孔U型管與地層的傳熱問題時，通常分為兩部分來處理，一是鉆孔內(nèi)部的傳熱，二是由鉆孔壁面至外部地層之間的換熱。
我們在以往研究成果的基礎(chǔ)上，基于熱阻的概念，在導得單個鉆孔每一個傳熱環(huán)節(jié)熱阻的解析表達式的基礎(chǔ)上，利用疊加原理處理復雜的多孔幾何布置和負荷隨時間的隨機變化。這種方法的物理概念清晰，計算精度優(yōu)于或相當于數(shù)值模擬方法；同時由于利用疊加原理并盡量采用解析解，計算速度大大加快，單個算例的計算時間可以是有限元或有限差分法的數(shù)百分之一或更少，因此可以用來計算需要反復迭代的設計優(yōu)化問題。具體的傳熱模型已在前兩期?？性敿毥榻B過。在已有傳熱模型基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了地埋管換熱器的設計模擬軟件GeoStar。
由于每個鉆孔在鉆孔排布中的位置不同，受到其他鉆孔的熱干擾程度不同，因此各個鉆孔的孔外傳熱能力也不相同。理論上應計算出所有鉆孔的孔壁溫升，累加求出平均值，就可以得到整個換熱器的平均溫升，該溫升值作為計算溫度是最可靠合理的，但是采用此種方法進行計算，尤其是在鉆孔數(shù)目比較多的情況下，會造成計算速度大大降低，浪費過多的時間，不適合工程設計計算。所以國外多數(shù)設計軟件在計算的時候選用了最不利鉆孔來計算，這樣可以加快計算的速度，而且是偏于安全的設計。同時最不利鉆孔的位置在埋孔排布中極易找到，軟件在編程計算的時候又很容易實現(xiàn)。GeoStar-V2版本也是以最不利鉆孔的孔壁溫度作為整個鉆孔群的平均溫度來設計地埋管長度的。
早期地埋管熱泵技術(shù)在國外主要應用于中小型建筑。近幾年隨著地埋管熱泵技術(shù)在我國的迅速發(fā)展，特別是單個項目的規(guī)模越來越大，許多系統(tǒng)的鉆孔個數(shù)已達到上百甚至上千。在如此大的鉆孔群中最不利鉆孔的溫升與地埋管換熱器的平均溫升的偏差尤為嚴重。在這種情況下，若仍采用最不利鉆孔作為設計依據(jù)必將導致設計鉆孔長度過大，結(jié)果過于保守，增加系統(tǒng)的初投資。所以本文將通過大量計算尋找更合理的鉆孔來代表地埋管換熱器的平均溫升，優(yōu)化地埋管換熱器的設計計算方法；并給出地埋管換熱器的設計步驟與流程。
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