地源熱泵地埋管換熱器設(shè)計和模擬軟件“地?zé)嶂荲3.0”
山東建筑大學(xué) 于瑋 牛小飛 徐俊麗 方肇洪
Geostar V3.0—The Design and Simulation Software For Ground-Coupled Heat Exchanger of Ground Source Heat Pumps
Shandong Jianzhu University
Yu Wei, Niu Xiaofei, Xu Junli, Fang Zhaohong
摘要：本文介紹山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所自主開發(fā)研究的地源熱泵系統(tǒng)豎直埋管換熱器的設(shè)計和模擬軟件——“地?zé)嶂?rdquo;，并著重介紹了該軟件最新升級版本“地?zé)嶂荲3.0”的新添加功能。
Abstract: The design and simulation software for vertical ground-coupled heat exchanger of ground source heat pumps-Geostar, which is developed and studied independently by Ground-Source Heat Pump Research Institute of Shandong Jianzhu University, is presented in this paper, with the emphasis on new functions of the latest updated version- Geostar V3.0.
關(guān)鍵詞：地源熱泵 地埋管換熱器 設(shè)計 軟件
Key words: ground source heat pump, ground-coupled heat exchanger, design, software
0 引言
隨著節(jié)約能源與環(huán)境保護(hù)成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向，建筑領(lǐng)域里的對降低空調(diào)采暖系統(tǒng)能耗的研究也越來越受重視。在這種背景下，地源熱泵技術(shù)由于利用大地中的低品位熱能來實現(xiàn)對建筑物的供熱制冷以及其高效環(huán)保的特點得到了越來越多的應(yīng)用。地源熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)最大的區(qū)別就在于它有地埋管換熱器，合理設(shè)計地埋管換熱器可以節(jié)省初投資、合理利用土地、使運行安全可靠并降低運行成本。地埋管換熱器中的熱量傳遞是三維非穩(wěn)態(tài)的過程，涉及的空間范圍可達(dá)數(shù)百萬立方米，時間跨度數(shù)十年，是非常復(fù)雜的傳熱問題。即使是采用規(guī)范推薦的半經(jīng)驗公式的計算方法來進(jìn)行設(shè)計計算，也很難靠手工的方法完成。因此，要在我國規(guī)范地、大規(guī)模地推廣應(yīng)用地埋管地源熱泵技術(shù)，必需要有可靠和易操作的設(shè)計計算軟件，使工程技術(shù)人員從繁瑣的計算中解脫出來。本文將介紹我國自主開發(fā)的具有國際先進(jìn)水平的地源熱泵模擬設(shè)計軟件——全面升級的新版本“地?zé)嶂荲3.0”。 希望這一有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件能推動地源熱泵技術(shù)在我國的應(yīng)用和普及，并借此增進(jìn)與國際同行的交流。
1 地?zé)嶂擒浖碚摻榻B
在上世紀(jì)八、九十年代瑞典的兩位研究者Eskilson和Hellstrom提出了一種基于疊加原理的新思路，也稱g-函數(shù)方法[1, 2]。他們利用解析法和數(shù)值法混合求解的手段較精確地描述單個鉆孔在恒定熱流加熱條件下的溫度響應(yīng)，再利用疊加原理得到多個鉆孔組成的地埋管換熱器在變化負(fù)荷作用下的實際溫度響應(yīng)。這種方法中采用的簡化假定最少，可以考慮地埋管換熱器的復(fù)雜的幾何配置和負(fù)荷隨時間的變化，同時可以避免的冗長的數(shù)值計算，有可能直接應(yīng)用于實際的工程設(shè)計計算和建筑能耗分析。山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所關(guān)于豎直和傾斜埋管地埋管換熱器傳熱的研究主要是延續(xù)了這種方法的思路，并在消化吸收的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新，在國際上首次求得了關(guān)于地埋管換熱器的三個重要的傳熱問題的解析解[3-5]，進(jìn)一步提高了模型的精度和計算速度。在此基礎(chǔ)上，于2003年開發(fā)并注冊了供工程技術(shù)人員設(shè)計和能耗分析用的專用軟件“地?zé)嶂?V2.0”[6]。在地埋管換熱器傳熱分析的算法方面，它秉承了瑞典隆德大學(xué)（Lund University）開發(fā)的EED程序和美國俄克拉荷馬州立大學(xué)（Oklahoma State University）開發(fā)的GLHEPRO程序所采用的疊加原理方法的基本思路。但是，在計算鉆孔外熱阻時采用了我們導(dǎo)得的有限長線熱源溫度響應(yīng)的解析解[7]，彌補了上述兩個程序中采用數(shù)值解的不足，計算更快捷，適應(yīng)性更強(qiáng)；在計算鉆孔內(nèi)熱阻時采用了我們導(dǎo)得的準(zhǔn)三維模型的解析解[8]，擯棄了一維模型的簡化假定，可計算單U型管和雙U型管的鉆孔，模型更加精確，適用范圍更廣。通過為工程技術(shù)人員和研究人員提供這一實用的工具，使工程技術(shù)人員可以不必深入掌握復(fù)雜的理論推導(dǎo)并免除繁瑣的計算，可以方便地進(jìn)行各種不同設(shè)計方案的比較。用戶只需輸入必要的設(shè)計參數(shù)，包括鉆孔參數(shù)、循環(huán)液參數(shù)、巖土參數(shù)、熱泵參數(shù)、建筑負(fù)荷等，就可以對地埋管換熱器進(jìn)行設(shè)計計算?？梢愿鶕?jù)設(shè)定的設(shè)計參數(shù)以及循環(huán)液允許極值溫度、運行時間等參數(shù)設(shè)計鉆孔深度，也可根據(jù)設(shè)定的鉆孔深度模擬得循環(huán)液和鉆孔壁的溫度的長期變化趨勢。本軟件允許模擬時間可長達(dá)40年。
2 “地?zé)嶂荲3.0”新功能介紹
2 “地?zé)嶂荲3.0”新功能介紹
“地?zé)嶂荲3.0”是山東建筑大學(xué)自主開發(fā)了豎直地埋管換熱器設(shè)計和模擬軟件“地?zé)嶂荲2.0”的最新升級版本。山東建筑大學(xué)地源熱泵研究所在原“地?zé)嶂荲2.0”軟件的基礎(chǔ)上，與清華大學(xué)DeST課題組合作，將DeSTII建筑模擬軟件引入地?zé)嶂牵瑢ㄖ?fù)荷進(jìn)行動態(tài)模擬；對于原有軟件的設(shè)計模擬計算進(jìn)行了優(yōu)化；對軟件界面和輸出文件進(jìn)行了改進(jìn)和完善，更便于工程設(shè)計人員使用。
2.1 全面升級
“地?zé)嶂荲3.0” 對“地?zé)嶂荲2.0”的界面進(jìn)行了全面的升級，使界面更加美觀實用。
“鉆孔”的頁面保持了原版本軟件的特點，可以有使用者根據(jù)場地的情況選取不同的鉆孔幾何尺寸和布置方式，包括線性、L型、雙L型、U型、矩形、矩陣型等。
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圖1 “地?zé)嶂荲3.0”鉆孔界面
并且對巖土參數(shù)、循環(huán)液參數(shù)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了補充和修正，補充了部分巖土和循環(huán)液參數(shù)。
圖2 “地?zé)嶂荲3.0”巖土參數(shù)頁面
圖3 “地?zé)嶂荲3.0”循環(huán)液參數(shù)頁面
在巖土參數(shù)和循環(huán)液參數(shù)頁面上，對于原先用戶比較容易因操作失誤而出錯的一些地方進(jìn)行了修改，增加了提示，添加了“修改數(shù)據(jù)”按鈕，方便用戶進(jìn)行操作。
圖4 “地?zé)嶂荲3.0”熱泵參數(shù)界面
添加熱泵的設(shè)置也進(jìn)行了修改，使用戶操作更簡便。國內(nèi)一些熱泵制造商的最新的地源熱泵產(chǎn)品的性能已直接錄入軟件的數(shù)據(jù)庫，同時用戶也可以更加方便的添加熱泵的數(shù)據(jù)，在以后的設(shè)計中直接調(diào)用。
2.2 新增用戶登錄頁面
“地?zé)嶂荲3.0”增加了用戶登錄頁面，便于用戶保護(hù)自身數(shù)據(jù)的安全，用戶在正確輸入用戶名和密碼后才可以使用注冊后的地?zé)嶂堑娜抗δ堋?br />
用戶分為管理員用戶與一般用戶，管理員用戶進(jìn)入地?zé)嶂堑闹黜撁婧?，可以通過“用戶管理”進(jìn)行修改密碼、添加用戶、刪除用戶等操作，而一般用戶沒有此項權(quán)限?？梢栽?ldquo;注冊用戶里”對話框中添加新的使用用戶，新添加用戶只具有一般用戶權(quán)限。
2.3 新增工程信息頁面
“地?zé)嶂荲3.0”新加了“工程信息”頁面，工程設(shè)計人員填寫了該頁面的內(nèi)容后可以在工程輸出文件中選擇輸出該頁面上的信息，作為工程報表的一項內(nèi)容。該頁面共分為四個部分：工程基本信息，建筑基本信息，空調(diào)設(shè)計參數(shù)，設(shè)計依據(jù)。
圖5 “地?zé)嶂荲3.0”工程信息界面
2.4 集成DeST模擬軟件
DeST(Designer’s Simulation Toolkits) 是清華大學(xué)學(xué)者在10年前在認(rèn)識到當(dāng)時各種建筑模擬軟件的特點與不足的基礎(chǔ)上，開發(fā)并不斷發(fā)展完善而形成的建筑動態(tài)模擬工具。它基于“分階段模擬”的理念，實現(xiàn)了建筑物與系統(tǒng)的連接。使之既可用于詳細(xì)地分析建筑物的熱特性，又可以模擬系統(tǒng)性能，較好地解決了建筑物和系統(tǒng)設(shè)計耦合的問題。“地?zé)嶂荲3.0”引入了清華大學(xué)開發(fā)的DeSTII建筑負(fù)荷模擬軟件，用戶只需先將“地?zé)嶂荲3.0”的安裝光盤中附帶的“地?zé)嶂荲3.0”專用版本的DeSTII軟件安裝在指定目錄下，點擊負(fù)荷頁面的“運行DeST”按鈕，并根據(jù)彈出對話框選擇DeST-h或DeST-c，即可調(diào)用DeSTII進(jìn)行建筑負(fù)荷計算。
圖6 “地?zé)嶂荲3.0”負(fù)荷界面
用戶使用DeSTII計算完成后保存工程，關(guān)閉DeST界面，返回“地?zé)嶂?rdquo;界面。點擊“地?zé)嶂?rdquo;－“建筑負(fù)荷”頁面上的“讀入DeST累加結(jié)果”按鈕，根據(jù)彈出的提示信息，就可以直接讀入DeST計算的負(fù)荷累加的結(jié)果。如果用戶想查看DeST計算的逐時負(fù)荷，點擊“查看DeST計算結(jié)果”按鈕，DeST計算的建筑逐時負(fù)荷將以excel表格的形式打開，用戶可以另行保存和打印。
2.5 升級輸出報表
“地?zé)嶂荲3.0”對計算結(jié)果輸出進(jìn)行了改進(jìn)。在用戶進(jìn)行模擬或設(shè)計計算之后，點擊“結(jié)果輸出”-“計算結(jié)果”頁面上的“模擬輸出”或者“設(shè)計輸出”按鈕，就能自動將設(shè)計參數(shù)和計算結(jié)果生成模擬輸出報表或設(shè)計輸出報表的excel表格。輸出報表的內(nèi)容包括：工程信息、設(shè)計參數(shù)、計算結(jié)果、圖表數(shù)據(jù)。其中，工程信息報表內(nèi)容即用戶在“工程信息”頁面上輸入的內(nèi)容；設(shè)計參數(shù)則是用戶在進(jìn)行設(shè)計和模擬計算之前，所填寫的關(guān)于鉆孔、巖土、循環(huán)液、熱泵、負(fù)荷等設(shè)計參數(shù)；計算結(jié)果包括設(shè)計鉆孔總長度、鉆孔內(nèi)熱阻、循環(huán)液Re數(shù)、壓縮機(jī)平均年耗功、每米鉆孔的月平均換熱量、壓縮機(jī)耗功、鉆孔壁月平均溫度、進(jìn)入熱泵的循環(huán)液月平均溫度、循環(huán)液的極值溫度、極值溫度出現(xiàn)月份等計算得出的參數(shù)；數(shù)據(jù)圖表（如圖7）是繪制了鉆孔壁月平均溫度、進(jìn)入熱泵的循環(huán)液月平均溫度、循環(huán)液極值溫度在計算年限內(nèi)的變化趨勢的曲線。
這些輸出結(jié)果可以使用戶更加方便的使用設(shè)計、模擬結(jié)果作為工程設(shè)計計算書和研究報告。
3 結(jié)語
準(zhǔn)確可靠的地埋管換熱器設(shè)計是保證地源熱泵工程經(jīng)濟(jì)、有效的重要因素，也是順利推廣地源熱泵技術(shù)的保障。成熟可靠的設(shè)計軟件可以提高設(shè)計人員的工作效率，提高工程設(shè)計的可靠性。“地?zé)嶂荲3.0”繼承了先前版本軟件的優(yōu)點，集成了DeST建筑模擬軟件，優(yōu)化自身設(shè)計計算，提高了計算速度和精度，升級了操作界面等，更方便用戶使用，是地源熱泵工程技術(shù)人員和研究人員的有力助手。
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