土壤源热泵地下埋管换热器—双U管换热性能研究

摘要

我国在新时期的能源发展的基本方针是实施可持续发展能源战略，在建筑节能工作中，可再生能源的应用占据着越来越重要的地位。土壤源热泵作为一种节能、环保的新型能源技术，通过消耗少量的一次能源，获得大量的可再生能源，在能源供应日渐紧张的型势下，日益得到人们的重视和推广。国外对土壤源热泵地下换热器的换热性能进行了大量实验研究。国内对土壤热泵地下埋管换热器的研究主要集中在单 U型埋管换热器和水平埋管换热器上，对双 U型埋管换热器的研究较少，且研究集中在实验测试。
　　目前针对双 U型地下换热器的传热性能研究大都基于线性理论基础或者二维计算，而由于双 U型地下换热器换热的不对称性，这些理论在用于双 U型换热器时都存在较大的误差。本文根据基本的三维圆柱坐标传热原理，采用双坐标系，以进水处为坐标起点，建立了针对单孔换热器双 U型埋管换热器地下温度场的计算模型，并提出了数学求解方法。
　　双 U型换热器是一种新型的换热器，对其换热效果的测试较少。本文以工程项目中的单孔换热器建立了实验平台，向地下埋管输入恒定热流量，应用统计学方法和三层换热理论对埋深为70m的双 U型埋管在初始运行状态的测试数据进行了分析，得到如下结论：在一定范围内，随流量增大，单位井深热流 qh增大；夏季，在运行时间内，地下温度测点呈倒梯形分布；运行时间越长，地下岩土的恢复期越长。
　　在土壤源热泵系统中，越来越多的工程采用了双 U型换热器，而对双 U型和单 U型换热器在换热性能和经济性能的对比研究，还不够深入。本文利用 phoenics软件进行运算，计算结果显示当运行时间相同时，随着流量的增大，双 U型换热器的qh增大，换热影响深度增加。当单管流量相同时，双 U型换热器的换热性能优于单 U型，计算工况下双 U管的qh为单 U管的1.5～1.7倍。流量越小，双 U型换热器的换热性能优势越显著。为进行经济性分析，本文引入基于换热性能的经济性评价指标——单位井深单位换热量投资成本 Clq，以此为标准，评判单、双 U型换热器的经济性能。通过对比分析，得到如下结论：在单管流量相同的情况下，双 U型换热器优于单 U型换热器，本文重庆地区的计算为单 U管的单位井深单位换热量投资成本 Clq为4.69￥/W，双 U管的单位井深单位换热量投资成本 Clq为3.14￥/W；在单孔流量相同时，双 U型换热器的换热量与单 U型埋管的相近，不一定存在应用上的优势。
　　在土壤源热泵系统的运行过程中，地下换热器为管群系统，目前对于双 U型换热器的研究，集中于单孔换热器，故本文对现有的工程项目进行了实际运行工况测试，根据测试数据的处理结果可知，冬季运行期间，地下温度测点呈梯形分布；分区调节有利于提高双 U型换热器的利用率和系统性能，部分负荷下，机组EER值较小，负荷率越低，机组 EER越小。
　　地下双 U型埋管换热器的换热性能受到多种因素的影响。对于单孔换热器，基于实测数据，本文得到如下结果：Ⅰ.存在最佳流量，使得 qh达到最大。针对本文的测试工况，最佳流量为1.1m3/h。Ⅱ.夏季，随着换热器进水温度的提高，qh增大，测试数据显示，温度每升高1℃，qh增大1.5％～4.5%，当温度达到将近35℃时，qh增加速度变小；冬季，随换热器进水温度的提高，qh降低，本文测试数据显示，当进水温度增加2℃时，qh降低了40%。Ⅲ.岩土的导热系数 Ks越大，qh越大。基于理论计算数据，回填材料热导率增大45%时，qh增大了25%。回填材料热导率的适度增大有利于双 U型埋管的换热能力的提高。
　　进行双 U型换热器的换热分析的主要目的是为了实际应用，目前对双 U型换热器大的设计研究大多是基于单 U形管的陈述性概括。本文将前述的分析得到的结果，应用于实际工程项目的设计，提出了热泵系统同时承担空调负荷和生活热水负荷时，可根据地下埋管的承载能力选择直供式或者蓄热水式的热水供应方案。

目录

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中文摘要

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 地源热泵发展现状

1.3 传热计算模型简介

1.4 本文研究目的和内容

1.5 本章小结

2 单孔换热理论计算方法

2.1 地下双U型埋管换热模型的理论基础

2.2 传热方程的数值计算

2.3 单孔换热器换热性能计算方法

2.4 本章小结

3 双U型埋管单孔换热实验测试

3.1 地下换热器换热性能测试平台

3.2 测试工况设计

3.3 测试结果分析

3.4 本章小结

4 单、双U型埋管换热对比分析

4.1 模拟计算模型建立

4.2 换热效果CFD计算结果对比

4.3 换热效果实测对比分析

4.4 经济性对比分析

4.5 本章小结

5 系统运行工况测试

5.1 概述

5.2 吸热工况测试

5.3 放热工况测试5.3.1 测试工况设计

5.4 本章小结

6 双U型埋管换热影响因素分析

6.1 管内水流量对地埋管换热器换热的影响

6.2 机组出口温度对地埋管换热器换热的影响

6.3 回填材料对地埋管换热器换热的影响

6.4 岩土物性参数地埋管换热器换热的影响

6.5 其他影响因素

6.6 本章小结

7 双U型埋管土壤源热泵系统设计分析

7.1 地埋管管材及管径的选择

7.2 连接方式及平面布置的设计

7.3 地下埋管埋深的设计

7.4 回填材料及回填工艺的设计

7.5 循环系统参数的选取

7.6 系统设计中存在的主要问题及解决方案

7.7 工程实例

7.8 本章小结

8 结论和展望

8.1 结论

8.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献