231地埋管地源热泵地埋管换热器最佳出口温度的确定全文

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1、地埋管地源热泵地埋管换热器最佳出口温度的确定哈尔滨工业大学毛会敏姚杨马最良摘要为研究土壤源热泵地下换热器最佳设计出口温度的变化范围，本文建立了地下换热器的传热模型，用自编程序分析了出口温度对埋管长度的影响；根据压缩机的部分负荷性能得出了系统耗功量与出口温度的关系；使用费用年值法将土壤源热泵与其他冷热源空调系统进行了经济性比较。结果表明，上海地区使用土壤源热泵系统比其他冷热源系统更具有经济优势；地下换热器的最佳出口温度夏季为30～35℃，冬季为6～10℃。关键词土壤源热泵；地下换热器；埋管长度；运行成本；经济性1前言土壤源热泵系统是利

2、用土壤的蓄冷（热）性能，通过中间介质在封闭的地下换热器中循环流动，从而实现与土壤的热交换。冬季通过热泵将大地中的热量取出对建筑物供暖，同时贮存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物的热量释放到地下，对建筑物进行降温，同时贮存热量，以备冬用。由于其技术上的优势，推广土壤源热泵具有明显的节能和环保效益。根据文献[1]，对于土壤源热泵竖直地下埋管换热器，夏季的设计出口温度一般为土壤温度加上11～14℃，冬季的设计出口温度为土壤温度减去8～11℃。而山东建工学院报告厅地源热泵系统的测试表明[2]，在达到准稳定工况时，夏季地下换热器的出口设计温

3、度为土壤温度加上20～25℃，冬季的设计出口温度为土壤温度减去10～15℃。由以上可知，两者给出的夏季和冬季设计出口温度均相差较大，而且都没有从土壤源热泵系统经济性的角度加以考虑。实际上，地下换热器设计出口温度的高低对埋管长度以及热泵机组的运行效率都有较大的影响。夏季，随着地下换热器的设计出口温度的升高，所需要的地下埋管长度变少，系统的初投资降低，而热泵机组的运行效率降低，运行成本就升高；冬季正好相反。这就存在一个最佳出口温度问题。如何确定地下换热器的最佳设计出口温度，使之在满足设计条件下土壤源热泵系统的经济成本最低，这将是本文讨论

4、的重点。2数学模型地下换热器的设计是土壤源热泵系统设计的最重要部分。在目前的工程设计中，地下埋管长度主要是根据建筑物的峰值冷负荷或热负荷确定出换热器的放热量或吸热量，然后确定地下换热器的布置方式，再根据手册中给定的单位管长或单位埋管深度的放热量即可求出所需的地下埋管长度。这种方法简单，但是没有考虑当地的气候条件，岩土体及回填材料热物性的影响，会使设计结果不准确。竖直地下换热器与土壤间的传热过程较复杂，对于工程实际应用的模型，可以在空间上以钻孔壁为界，把地热换热器的传热分为两个区域，分别采用不同的简化假定进行分析研究。对于钻孔壁以内的

5、传热过程,由于其几何尺寸和热容量相对较小，因此其传热过程可近似按稳态传热过程处理，根据文献[3]建立的二维模型，钻孔内的热阻可表示为：（1）式中λb——钻孔回填材料的热导率；λ——钻孔周围土壤的热导率；rb——钻孔半径；r2——U型埋管管子的外半径；r1——U型埋管管子的内半径；D——U型管支管中心至钻孔中心之间的距离；kp——U型塑料管的热导率。h——循环液的换热系数对于钻孔壁至外部土壤之间的传热应按非稳态传热处理,在工程计算中常可用线热源模型进行分析研究[4,5]。在线源模型中，将垂直地下埋管看作一均匀的线热源，并假设该热源沿深

6、度方向单位长度的散热量为常量，即具有恒定的热流，将管子周围的大地土壤连同回填部分看作是一无限大的实体。土壤中的温度分布可以写为：（2）式中，称为指数积分；为大地初始温度；为线热源提供的恒定热流；为土壤的导温系数。孔壁rb处的过余温度为（3）根据能量守恒方程，联立式（1）～（3），用MATLAB编程即可以求出单位管长每一天的换热量以及供冷（热）季节的平均换热量。3地下换热器出口温度对埋管长度的影响地下换热器中循环液出口温度对垂直U型管的单位管长换热量有很大的影响。在夏季，循环液出口温度越高，单位管长换热量越大，所需要的埋管总长度则越短

7、，而冬季正好相反。地源热泵的技术规程指出，土壤源热泵系统地下换热器中循环液的设计平均温度夏季通常可选为37℃，冬季为-2～5℃。一般考虑冬夏季进出口之间的换热温差为5℃左右，因此夏季出口温度一般可选为35℃，冬季为0～8℃。以上海地区为例，土壤的热导率λ=1.6W/(m·k)，土壤的导温系数=9.110-7m2/s，深层土壤温度t0=15.8℃。根据所编程序得出单位管长换热量与地下换热器出口温度、运行时间、土壤热物性、埋管间距等各种变化参数的关系。图1、图2分别为夏季、冬季不同出口温度下单位管长换热量与运行时间的变化关系；图3、图4

8、分别表示夏季与冬季不同的地下换热器设计出口温度相对于出口温度为26℃和10℃时的埋管长度百分比。由图1和图2可知，单位管长换热量随运行时间的增加而逐渐减少，在运行前5天内减小的幅度较大，这是由于运行时间较短，U型管与土壤之间的非稳态传