豎直地埋管換熱器設(shè)計(jì)方法與應(yīng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；
2.山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 濟(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；
2.山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所 濟(jì)南，250101
摘要：本文針對地源熱泵應(yīng)用大型化的工程實(shí)際，提出了采用代表性鉆孔代替最不利鉆孔來進(jìn)行地埋管換熱器的傳熱分析，提高了地埋管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性；并給出了地埋管換熱器的設(shè)計(jì)步驟與計(jì)算流程。最后本文利用升級版的GeoStar設(shè)計(jì)軟件對學(xué)校建筑的地埋管換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析。分析結(jié)果表明在山東地區(qū)學(xué)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(shè)計(jì)方法，代表性鉆孔
引言
地埋管換熱器設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是在給定一系列設(shè)計(jì)參數(shù)的條件下（如當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，地質(zhì)條件，建筑物冷熱負(fù)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(gè)運(yùn)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(yùn)行性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求[1]。要達(dá)到這一目的應(yīng)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(gè)鉆孔組成，各鉆孔之間一般均為并聯(lián)連接，通常在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)假設(shè)每個(gè)鉆孔的流量及承擔(dān)的換熱量均相同。因此可以選擇一個(gè)代表性鉆孔進(jìn)行傳熱計(jì)算，并結(jié)合建筑負(fù)荷與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行地埋管鉆孔長度設(shè)計(jì)或性能模擬。單個(gè)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，工程上在處理單個(gè)鉆孔U型管與地層的傳熱問題時(shí)，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(dǎo)得單個(gè)鉆孔每一個(gè)傳熱環(huán)節(jié)熱阻的解析表達(dá)式的基礎(chǔ)上，利用疊加原理處理復(fù)雜的多孔幾何布置和負(fù)荷隨時(shí)間的隨機(jī)變化。這種方法的物理概念清晰，計(jì)算精度優(yōu)于或相當(dāng)于數(shù)值模擬方法；同時(shí)由于利用疊加原理并盡量采用解析解，計(jì)算速度大大加快，單個(gè)算例的計(jì)算時(shí)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(jì)算需要反復(fù)迭代的設(shè)計(jì)優(yōu)化問題。具體的傳熱模型已在前兩期?？性敿?xì)介紹過。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(shè)計(jì)模擬軟件GeoStar。
由于每個(gè)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(gè)鉆孔的孔外傳熱能力也不相同。理論上應(yīng)計(jì)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(gè)換熱器的平均溫升，該溫升值作為計(jì)算溫度是最可靠合理的，但是采用此種方法進(jìn)行計(jì)算，尤其是在鉆孔數(shù)目比較多的情況下，會造成計(jì)算速度大大降低，浪費(fèi)過多的時(shí)間，不適合工程設(shè)計(jì)計(jì)算。所以國外多數(shù)設(shè)計(jì)軟件在計(jì)算的時(shí)候選用了最不利鉆孔來計(jì)算，這樣可以加快計(jì)算的速度，而且是偏于安全的設(shè)計(jì)。同時(shí)最不利鉆孔的位置在埋孔排布中極易找到，軟件在編程計(jì)算的時(shí)候又很容易實(shí)現(xiàn)。GeoStar-V2版本也是以最不利鉆孔的孔壁溫度作為整個(gè)鉆孔群的平均溫度來設(shè)計(jì)地埋管長度的。
早期地埋管熱泵技術(shù)在國外主要應(yīng)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(gè)項(xiàng)目的規(guī)模越來越大，許多系統(tǒng)的鉆孔個(gè)數(shù)已達(dá)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(yán)重。在這種情況下，若仍采用最不利鉆孔作為設(shè)計(jì)依據(jù)必將導(dǎo)致設(shè)計(jì)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(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算方法；并給出地埋管換熱器的設(shè)計(jì)步驟與流程。
原文閱讀：豎直地埋管換熱器設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用
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