地源熱泵地埋管換熱器設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)研究的地源熱泵系統(tǒng)豎直埋管換熱器的設(shè)計(jì)和模擬軟件——“地?zé)嶂?rdquo;，并著重介紹了該軟件最新升級(jí)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(jì) 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(duì)降低空調(diào)采暖系統(tǒng)能耗的研究也越來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供熱制冷以及其高效環(huán)保的特點(diǎn)得到了越來(lái)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(jì)地埋管換熱器可以節(jié)省初投資、合理利用土地、使運(yùn)行安全可靠并降低運(yùn)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(guò)程，涉及的空間范圍可達(dá)數(shù)百萬(wàn)立方米，時(shí)間跨度數(shù)十年，是非常復(fù)雜的傳熱問(wèn)題。即使是采用規(guī)范推薦的半經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，也很難靠手工的方法完成。因此，要在我國(guó)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(jì)計(jì)算軟件，使工程技術(shù)人員從繁瑣的計(jì)算中解脫出來(lái)。本文將介紹我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的具有國(guó)際先進(jìn)水平的地源熱泵模擬設(shè)計(jì)軟件——全面升級(jí)的新版本“地?zé)嶂荲3.0”。 希望這一有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件能推動(dòng)地源熱泵技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用和普及，并借此增進(jìn)與國(guó)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(gè)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(gè)鉆孔組成的地埋管換熱器在變化負(fù)荷作用下的實(shí)際溫度響應(yīng)。這種方法中采用的簡(jiǎn)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(shí)間的變化，同時(shí)可以避免的冗長(zhǎng)的數(shù)值計(jì)算，有可能直接應(yīng)用于實(shí)際的工程設(shè)計(jì)計(jì)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(guó)際上首次求得了關(guān)于地埋管換熱器的三個(gè)重要的傳熱問(wèn)題的解析解[3-5]，進(jìn)一步提高了模型的精度和計(jì)算速度。在此基礎(chǔ)上，于2003年開(kāi)發(fā)并注冊(cè)了供工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)的EED程序和美國(guó)俄克拉荷馬州立大學(xué)（Oklahoma State University）開(kāi)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(jì)算鉆孔外熱阻時(shí)采用了我們導(dǎo)得的有限長(zhǎng)線熱源溫度響應(yīng)的解析解[7]，彌補(bǔ)了上述兩個(gè)程序中采用數(shù)值解的不足，計(jì)算更快捷，適應(yīng)性更強(qiáng)；在計(jì)算鉆孔內(nèi)熱阻時(shí)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(jiǎn)化假定，可計(jì)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(guò)為工程技術(shù)人員和研究人員提供這一實(shí)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(jì)算，可以方便地進(jìn)行各種不同設(shè)計(jì)方案的比較。用戶只需輸入必要的設(shè)計(jì)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(duì)地埋管換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算?？梢愿鶕?jù)設(shè)定的設(shè)計(jì)參數(shù)以及循環(huán)液允許極值溫度、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)設(shè)計(jì)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(zhǎng)期變化趨勢(shì)。本軟件允許模擬時(shí)間可長(zhǎng)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(kāi)發(fā)了豎直地埋管換熱器設(shè)計(jì)和模擬軟件“地?zé)嶂荲2.0”的最新升級(jí)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?，?duì)建筑負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬；對(duì)于原有軟件的設(shè)計(jì)模擬計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化；對(duì)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(jì)人員使用。
2.1 全面升級(jí)
“地?zé)嶂荲3.0” 對(duì)“地?zé)嶂荲2.0”的界面進(jìn)行了全面的升級(jí)，使界面更加美觀實(shí)用。
“鉆孔”的頁(yè)面保持了原版本軟件的特點(diǎn)，可以有使用者根據(jù)場(chǎng)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(duì)巖土參數(shù)、循環(huán)液參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了補(bǔ)充和修正，補(bǔ)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(yè)面
圖3 “地?zé)嶂荲3.0”循環(huán)液參數(shù)頁(yè)面
在巖土參數(shù)和循環(huán)液參數(shù)頁(yè)面上，對(duì)于原先用戶比較容易因操作失誤而出錯(cuò)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(jiǎn)便。國(guó)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(kù)，同時(shí)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(jì)中直接調(diào)用。
2.2 新增用戶登錄頁(yè)面
“地?zé)嶂荲3.0”增加了用戶登錄頁(yè)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(cè)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?yè)面后，可以通過(guò)“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(méi)有此項(xiàng)權(quán)限?？梢栽?ldquo;注冊(cè)用戶里”對(duì)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(yè)面
“地?zé)嶂荲3.0”新加了“工程信息”頁(yè)面，工程設(shè)計(jì)人員填寫(xiě)了該頁(yè)面的內(nèi)容后可以在工程輸出文件中選擇輸出該頁(yè)面上的信息，作為工程報(bào)表的一項(xiàng)內(nèi)容。該頁(yè)面共分為四個(gè)部分：工程基本信息，建筑基本信息，空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)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(shí)到當(dāng)時(shí)各種建筑模擬軟件的特點(diǎn)與不足的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)并不斷發(fā)展完善而形成的建筑動(dòng)態(tài)模擬工具。它基于“分階段模擬”的理念，實(shí)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(jì)耦合的問(wèn)題。“地?zé)嶂荲3.0”引入了清華大學(xué)開(kāi)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(diǎn)擊負(fù)荷頁(yè)面的“運(yùn)行DeST”按鈕，并根據(jù)彈出對(duì)話框選擇DeST-h或DeST-c，即可調(diào)用DeSTII進(jìn)行建筑負(fù)荷計(jì)算。
圖6 “地?zé)嶂荲3.0”負(fù)荷界面
用戶使用DeSTII計(jì)算完成后保存工程，關(guān)閉DeST界面，返回“地?zé)嶂?rdquo;界面。點(diǎn)擊“地?zé)嶂?rdquo;－“建筑負(fù)荷”頁(yè)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(jì)算的負(fù)荷累加的結(jié)果。如果用戶想查看DeST計(jì)算的逐時(shí)負(fù)荷，點(diǎn)擊“查看DeST計(jì)算結(jié)果”按鈕，DeST計(jì)算的建筑逐時(shí)負(fù)荷將以excel表格的形式打開(kāi)，用戶可以另行保存和打印。
2.5 升級(jí)輸出報(bào)表
“地?zé)嶂荲3.0”對(duì)計(jì)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(jì)計(jì)算之后，點(diǎn)擊“結(jié)果輸出”-“計(jì)算結(jié)果”頁(yè)面上的“模擬輸出”或者“設(shè)計(jì)輸出”按鈕，就能自動(dòng)將設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果生成模擬輸出報(bào)表或設(shè)計(jì)輸出報(bào)表的excel表格。輸出報(bào)表的內(nèi)容包括：工程信息、設(shè)計(jì)參數(shù)、計(jì)算結(jié)果、圖表數(shù)據(jù)。其中，工程信息報(bào)表內(nèi)容即用戶在“工程信息”頁(yè)面上輸入的內(nèi)容；設(shè)計(jì)參數(shù)則是用戶在進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算之前，所填寫(xiě)的關(guān)于鉆孔、巖土、循環(huán)液、熱泵、負(fù)荷等設(shè)計(jì)參數(shù)；計(jì)算結(jié)果包括設(shè)計(jì)鉆孔總長(zhǎng)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(jì)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(jì)算年限內(nèi)的變化趨勢(shì)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(jì)、模擬結(jié)果作為工程設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)和研究報(bào)告。
3 結(jié)語(yǔ)
準(zhǔn)確可靠的地埋管換熱器設(shè)計(jì)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(jì)軟件可以提高設(shè)計(jì)人員的工作效率，提高工程設(shè)計(jì)的可靠性。“地?zé)嶂荲3.0”繼承了先前版本軟件的優(yōu)點(diǎn)，集成了DeST建筑模擬軟件，優(yōu)化自身設(shè)計(jì)計(jì)算，提高了計(jì)算速度和精度，升級(jí)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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