土壤源热泵空调系统的设计Word文档格式.docx
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由于地埋管换热器中的传热过程是三维非稳态的传热,影响因素非常复杂,很难用简单的公式加以描述和概括,因此在实际工程中还广泛采用以半经验公式为主的设计计算方法,主要用来根据最大冷、热负荷估算地埋管换热器所需埋管的长度。
这类半经验方法的概念相对地简单明了,比较容易为工程技术人员接受。
其缺点是各热阻项的计算都做了大量的简化假定,模型过于简单,能够考虑的因素有限,特别是难于考虑冷、热负荷随时间的变化和全年中冷、热负荷的转换和不平衡等较复杂的因素,因此它对各种复杂条件的普遍适用性还值得不断地探讨和验证。
此外,即使是这种最简单的以半经验公式为主的设计计算方法,因为其中反复用到指数积分函数,对于工程中实际遇到的多孔的地埋管换热器,实际的计算工作量也太大,以至于也必需借助于适当的计算机软件来进行。
在这一类方法中,以国际地源热泵协会(IGSHPA)和美国供热制冷和空调工程师协会(ASHRAE)曾共同推荐的美国俄克拉荷马州立大学(OklahomaStateUniversity)提议的方法[16]影响最大。
对于竖直埋管的地埋管换热器,该方法的要点如下:
首先收集和确定一组设计所需的初始数据,包括当地的气象数据和岩土的性质以及传热特性、选用的热泵的特性、建筑供热和供冷的负荷、选用的管材的特性等。
然后根据最冷的一月份和最热的七月份计算地埋管换热器所需的长度。
它也可以根据能量分析的温频法计算系统全供热季和供冷季的平均性能和能耗。
计算地埋管换热器所需的长度时按以下步骤:
(1)确定埋管的平面布置并计算岩土的传热热阻。
设计者必须先确定管群的布置形式及其间距。
对于一些选定的布置形式,这一方法基于Kelvin线热源理论并以连续运行1500小时为基准计算了岩土的热阻,并以图表的形式给出计算结果以供设计时选用。
该方法定义单个钻孔地埋管换热器的岩土热阻为
(7-3)
其中
,
是指数积分;
rb是钻孔的半径,a和
分别是岩土的平均热扩散率和导热系数,τ是运行的时间。
文献中[16]给出按以上定义的指数积分的近似计算公式为
对于
对于多个竖直钻孔的地埋管换热器,该方法定义岩土的热阻为
(7-4)
其中
是钻孔本身的埋管引起的热阻,
分别是与所考虑的钻孔的距离为SDi的钻孔中的埋管对该钻孔的热干扰引起的热阻。
(2)对于钻孔内的热阻,该方法采用一维简化模型,即把钻孔内的两根或四根管子假想为一根“当量管”。
该当量管的外半径为
(7-5)
其中n是钻孔中埋管的根数,对于单U型管n=2;
对于双U型管n=4。
管壁的传热热阻为
(7-6)
其中do和di分别是管子的外径和内径,de是当量管的外径,
是管壁的导热系数。
(3)确定热泵的最高和最低进水温度,计算供热和供冷的运行份额。
该方法推荐供热工况时最低进水温度值为比当地最低气温高16-22℃;
推荐的供冷工况的最高进水温度一般为37℃,但在南方可考虑高达40.5℃。
根据选定的最高和最低进水温度和选用的热泵,可以确定热泵的制冷量和制热量以及制冷和制热的性能系数COPC和COPH。
供热和供冷的运行份额由下式确定:
(7-7)
(7-8)
(4)计算地埋管换热器钻孔总长度
根据以上计算得到的数据,可以分别计算满足供热和供冷所需的地埋管换热器钻孔总长度:
(7-9)
(7-10)
其中下标H代表供热,C代表供冷;
此外L是钻孔的长度,CAP是热泵的在设计进水温度下的额定出力(制热或制冷量),COP是热泵的性能系数,F是运行份额,Rp和Rs分别是管壁的热阻和岩土的热阻,
是地下未受干扰时的平均温度,Tmax和Tmin分别为最高和最低进水温度。
为同时满足供热和供冷的需要,应采用LH和LC中的较大者作为设计钻孔总长度。
(5)逐月能量分析。
利用以上的公式,还可以用温频法进行逐月的能量分析。
由于地下的温度随时间不断变化,热泵的进水温度(因而热泵的COP)也随时间变化,因此必须采用试算法,计算过程很繁琐。
此外,由于采用半经验的简化公式,得到的结果的可靠性也不高。
在这里略去IGSHPA方法中能量分析的介绍。
感兴趣的读者可以参阅文献[15,16]。
2、地埋管换热器的数值计算
自上个世纪八十年代以来,关于地埋管换热器传热的数值分析研究非常多,这些研究的目的不尽相同,建立的数学模型的复杂程度不同,采用的离散化和计算的方法也各不相同。
其中较早而又影响较大的研究应首推美国橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLaboratory)的Mei等人工作[19-22]。
Mei等人采用有限差分法求解了描述岩土和管内流体中的温度分布。
与IGSHPA的模型不同,他们的竖直地埋管换热器模型考虑了地表和埋管的有限长度的影响、地层在深度方向的分层及含湿量的变化、土壤中可能发生的冻融现象等复杂的因素。
不过他们的模型是柱坐标中的二维模型,因此主要讨论了单孔的套管式地埋管换热器,对于U型管式的地埋管换热器则采用前面曾提及“当量管”的方法简化为轴对称的问题,因而回避了需要讨论在横截面中周向传热而计算三维传热问题的困难。
差不多在同一时期,美国的布卢克黑文国家实验室(BlookhavenNationalLaboratory)的Metz和Andrew等人也进行了关于地埋管换热器传热分析的数值研究[25-27]。
与Mei的方法不同,他们采用有限元法求解岩土中的三维非稳态温度分布。
不过限于当时的计算条件,他们的计算程序不是像经典的有限元法那样把区域划分为单元或网格,而只是把计算区域分成若干“块”,因而可以节省计算机的存储空间并提高计算速度。
其后各种关于地埋管换热器传热分析数值计算的文献很多,其中包括Yavuzturk[28]等人采用横截面中的二维导热简化模型,求解了单个钻孔的在短时间内的温度响应。
近年来我国的研究者关于这方面数值计算的论文也较多,例如用有限容积法求解关于竖直螺旋盘管地埋管换热器的传热[29]。
3、基于叠加原理的方法
基于叠加原理的方法是在上世纪八、九十年代瑞典的两位研究者Eskilson和Hellstrom首先提出来的[23,24]。
美国的俄克拉荷马州立大学(OklahomaStateUniversity)的学者[30]学习并发展了这种方法,并称之为地埋管换热器传热分析工程应用的最佳方法。
在常物性假定下导热微分方程是线性的,因此可以把复杂边界条件(例如多个钻孔的地埋管换热器)和变负荷问题的温度响应分解为若干较简单问题的解的叠加。
这样,地埋管换热器传热分析的基础是单个钻孔在阶跃热流(即在某一时刻开始的恒定热流)作用下的温度响应,对于多个钻孔的情况可在单个钻孔传热分析的基础上采用叠加原理进行分析处理。
该方法大大减少了半经验模型中所做的简化假设,用函数表达式定量地反映出地埋管换热器各几何和物理参数对传热过程的影响,同时可以足够精确地反映冷、热负荷逐时、逐日、逐月的变化,并考虑了在地埋管换热器整个寿命周期(数十年)中热量累积的长期效应。
在处理单孔的传热问题时,采用与第一类方法类似的思路,以钻孔壁为界,把所涉及的空间区域划分为钻孔以外的岩土部分和钻孔内部两部分,采用不同的简化假定分别进行分析。
对于钻孔以外部分的传热,岩土的蓄热和放热是最主要的因素,必须采用非稳态的传热模型分析研究。
由于U型埋管的深度都远远大于钻孔的直径,因而钻孔中的埋管通常都被看成是一个线热源或线热汇(包括无限长线热源和有限长线热源模型),进而对钻孔以外的传热进行分析。
在岩土热物性均匀且不随温度而变化的假设前提下,可以得到工程上所关心的钻孔壁的代表性温度随时间变化的解析表达式。
对于钻孔内的区域,包括回填材料、埋管和管内的循环液,由于它们的热容量与钻孔外的岩土相比是个小量,温度变化也比较缓慢,因此可以忽略这部分材料热容量的影响,而把钻孔内的传热简化为稳态传热问题。
由钻孔壁的温度再加上由于钻孔内热阻而引起的温差,可以得到管内循环液的进出口温度随时间的变化。
瑞典的研究者在提出这种方法时,由于在求得解析解方面的困难,他们在一些问题上不得不采用数值解,并把数值解的结果进行适当的简化后存放在计算程序中供调用,他们称之为g-function。
由于涉及的参数较多,不可能把这些函数随各参数的变化全部记下来。
这样就使计算精度和计算时间都受影响。
国内学者在消化吸收这种方法的长处的基础上,进一步求得了几个关键的基本传热问题的解析解[31-34],这些显式的函数关系式可以直接在计算程序中调用进行计算,使这种方法更加完善和实用。
1.1.3影响竖直埋管换热的主要因素
1、地埋管换热的强化与热阻分析
增强地埋管换热器传热的方法与传统的换热器基本相同,即应提高传热温差,增加传热面积,减少传热热阻。
其中传热温差的改变要受到地层温度、循环液温度及热泵参数的限制,而传热面积的增加需要付出代价。
因此这里主要讨论如何减少地埋管换热热阻的问题。
埋管式地源热泵系统是向大地或把大地作为热交换器来传输热量的。
影响这个传热过程的主要因素有两个:
一是地热换热器构造;
一是大地的传热性能。
对于给定的热负荷和冷负荷,热交换器的长度或面积主要取决于大地的传热性能。
大地的热物性对于地热换热器的传热性能有很大影响,它是设计地热换热器的基础数据。
准确测定大地的热物性不容易,而准确确定地热换热器运行时的传热性能更难。
这是因为影响地下传热性能的因素很多。
目前我国这方面数据的积累又很少。
地下传热性能随着每年的不同时间、降水量、地层深度的变化而变化。
地源热泵系统的运行使周围土壤中水分减少而干燥、或从地下吸热量和向地下释热量不平衡等因素,也都将改变地热换热器的传热性能。
如上所述,对于地埋管换热器,其整个传热过程是一个复杂的、非稳态的传热过程,所涉及的时间尺度很长,通常为数月至数年。
因此在工程应用的换热分析中,通常以钻孔壁为界,把所涉及的空间区域划分为钻孔以外的岩土部分和钻孔内的地埋管两部分,采用不同的简化假定分别进行分析。
对于钻孔以外部分的传热,必须采用非稳态的传热模型分析研究。
该部分的传热热阻由两部分组成。
一是从钻孔壁到未受热干扰的远端介质的岩土层热阻,该项热阻主要取决于岩土的导热系数,也与热负荷作用的时间有关。
二是各地埋管之间温度场的相互干扰而形成的附加温变热阻,这部分热阻主要取决于地埋管的布置形式和间距,及其释、吸热量的平衡程度。
钻孔内部的传热热阻主要由管内热阻和管外回填材料的热阻构成。
这部分热阻较为容易调控,成为地埋管传热强化问题分析的核心。
(1)钻孔外热阻
①土壤热物性
土壤的导热系数和热扩散率,对地源热泵系统的设计影响很大。
土壤的导热系数表示通过大地的热传导能力。
热扩散率是衡量大地传递和存储热量能力的尺度。
土壤的含湿量对于这两个热物性参数有很大的影响。
当地热换热器向土壤传热(夏季制冷工况)时,地埋管周围的土壤被干燥,即土壤中的水分扩散减少。
这种水分的减少将使土壤的导热系数减小。
埋管壁温的升高,将会使更多的水分从土壤中散失。
表现出这种特性的土壤被认为是热不稳定的,并且将大大降低土壤的传热性能。
对于丰水地区或冷负荷较少的北方地区,热不稳定性不是一个大问题。
较高的地下水位或较小的冷负荷使地下水蒸气含量的降低不明显。
在干燥温暖的气候条件下,如西北地区,在设计过程中,应考虑热不稳定性对地热换热器的影响。
②大地温度特性
对当地土壤温度的精确表述是非常重要的,因为大地和循环液之间的温差是热传递的动力。
如上所述常温带的地温接近全年的地上空气年平均温度。
工程上竖直埋管深度一般为60~100米,在深度方向上通常取一个平均地层温度,以便简化计算。
地热换热器运行过程中,地埋管周围土壤的温度场将发生变化,随着地温变化程度的增加和区域的扩大,相邻地埋管之间的换热将受到影响,把这种因地温变化而引起的换热阻力的增加与换热量的减弱,称为温变热阻。
如果在一年中冬季从地下抽取的热量与夏季向地下注入的热量不平衡,多余的热量(或冷量)就会在地下积累,引起地下年平均温度的变化。
温变热阻将增大,地热换热器效能将降低。
模拟计算结果表明:
在相同的设计条件下,设计埋管总长度随着冷热负荷比的增大和地热换热器设计时限的延长而增加。
即冷热负荷的不平衡对地热换热器的设计容量有很大影响。
以10年为设计时限为例,冷热负荷比为2:
1时的地热换热器设计容量是冷热负荷比为1:
1时的1.5倍。
当然这里未考虑其它因素如地下水渗流的影响。
地埋管间距的适当增加,可有效的减少温变热阻。
③水渗流
地下水的渗流或流动对通过大地进行的热交换有着显著的影响。
此时不仅大地通过热传导换热,而且还通过地下水的渗流或流动形成对流换热。
这将大大增强地热换热器的热交换能力。
尤其是当地热换热器冷热负荷不平衡时,地下水的渗流或流动将有效地减弱这一现象。
如果地下水流动活跃,每年都可以把负荷不平衡导致的那部分多余的热量中的大部分带走,使得大地温度的变化减缓,那么负荷不平衡的影响将大大减弱。
竖直埋管的深度通常达40~200米,实际上在其穿透的地层中或多或少地都存在着地下水的渗流。
尤其是在沿海地区或地下水丰富的地区,甚至有地下水的流动。
地下水的渗流或流动有利于地热换热器的传热,有利于减弱或消除由于地热换热器吸放热不平衡而引起的热量累积效应,因此能够减少地热换热器的设计容量。
研究结果表明:
在地下渗流速度为10-6m/s(30m/year)左右时,热交换能力比无渗流时增大了约30%。
显然渗流速度越大,温度场越快地达到稳定,而且稳定时的过余温度越低。
(2)钻孔内热阻
在竖直U型埋管地热换热器中,钻孔孔径通常为110mm~130mm,在这样一个狭小的空间内,支管间必然发生热回流现象,对实际的换热效果将产生一定的影响。
如处理不当,将产生较大的影响。
这是在设计和安装竖直U型埋管地热换热器时应特别注意的问题。
影响U型埋管支管间热量回流的主要因素是两支管间的间距和回填材料的导热系数。
图7-4为U型管敷设时两支管常见的不同间距的情况。
图中S为钻孔敷设U型管后的最大余隙,它等于钻孔直径减去二倍支管直径。
两支管中心距等于支管直径与两支管间距之和。
显然,支管间距及回填材料导热系数对热量回流的影响都是单一的。
即支管间距越小或回填材料导热系数越大,热量回流越大。
但二者对地热换热器设计容量的影响并不一致。
相同负荷下,支管间距小,所需的地热换热器容量大,如图7-5所示。
回填材料导热系数大,一方面增加了两支管间的热量回流,另一方面,也强化了U型管与土壤间的传热。
而后者是影响地热换热器设计容量的主要因素。
详见下节。
图7-5以支管间距最大(D情况)下的计算结果为基准。
从图中可以看出:
支管间距大小对地热换热器设计容量的影响也不容忽视。
支管最大间距与最小间距之间导致了约15%的设计偏差。
图7-6中,横坐标相对导热系数为回填材料的导热系数与岩土导热系数的比值,纵坐标为计算埋管长度与相对导热系数为1时计算埋管长度的比值。
随着回填材料(或相对)导热系数的增大,所需埋管长度随之减少。
在支管间距较小时,回填材料导热系数对地热换热器设计容量的影响程度更大些,这是因为支管间距为0(A情况,两个支管相贴)时,回填材料导热系数的大小对支管间的热阻(热回流)影响不大,对U型管钻孔内的传热热阻影响较大。
支管间距较大时的情形与此正相反。
由此可见,回填材料导热系数大小对换热器设计容量影响程度的大小,还与两支管的间距有关。
2、钻孔回填材料对地埋管换热的影响
(1)钻孔回填材料的研究应用现状
回填是地埋管换热器施工过程中的重要的环节,即在钻孔完毕、下完U型管后,向钻孔中注入回填材料。
它介于地埋管换热器的埋管与钻孔壁之间,用来增强埋管和周围岩土的换热;
同时防止地面水通过钻孔向地下渗透,以保护地下水不受地表污染物的污染,并防止各个蓄水层之间的交叉污染。
回填材料的选择以及正确的回填施工对于保证地埋管换热器的性能有重要的意义。
采用导热性能不良的回填材料将显著增大钻孔内的热阻,在同样的条件下导致所需的钻孔总长度增加,同时也意味着系统初投资以及运行费用的增加。
随着地源热泵技术的推广应用,人们越来越关注改善和优化回填材料的性能。
从上个世纪90年代开始国外就对回填材料做了大量的室内和实际工程的试验研究,包括回填区的传热模型模拟和各种具有较高传热特性的回填材料的开发等[38-44]。
最初常用的是从地质钻探工艺传承下来的膨润土-水混合物回填材料,但是后来发现这种回填的导热系数通常较小,只有0.65-0.9W/m.K,而且这种膨润土回填材料容易干燥收缩、干裂,因此在干燥地区这种回填材料的导热系数会降得很小,并且由于脱水而引起接触热阻的增加,会对传热产生严重的负面影响。
于是产生了膨润土-添加剂混合物回填材料,即在膨润土回填材料中加入石英砂等外加剂以提高回填材料的传热特性,其导热系数可达1-2W/m.K。
1999年美国Brookhaven国家实验室的Allan等研制出一种水泥基回填材料CG111(水泥、石英砂、膨润土、水、减水剂等的混合物)[38],其导热系数可达2.16W/m.K,热稳定性较好,可以用于干燥的岩土地区。
此后他们还对这种回填材料做了进一步的细致研究,比如回填的渗透系数,渗透比率,回填材料与U型管之间的粘结力,抗压和抗折强度,弹性模数、剪切模数及泊松比等机械特性,对热压变形的有限元分析,用有限元分析法来估计界面接触热阻对传热的影响,对回填特性进行实地试验等[38]。
目前国内对回填材料的研究还不够完善,虽然《地源热泵系统工程技术规范》中也明确指出:
“灌浆回填材料宜采用膨润土和细沙(或水泥)的混合浆或专用回填材料;
当地埋管换热器设在密实或坚硬的岩土体中时,宜采用水泥基料灌浆回填;
回填材料及其配比应符合设计要求”。
但这方面国内的文献还很少,《地源热泵系统工程技术规范》也没有提供推荐的回填材料配方。
国外研究表明,配比设计合理的水泥基回填材料具有较好的导热性,经济性及足够的耐久性等,而且水泥砂浆回填材料成本相对较低,使用安全环保,工作性较好,其组成物也容易获得。
吸取地质勘探技术、土木工程和环境工程应用等方面的相关经验来改善回填技术将非常有益于地源热泵行业的进一步发展。
由于目前国内对回填材料的研究较国外还有很大差距,而且国内的水泥砂浆的组成和国外的具体情况并不相同,因此,急需对水泥砂浆回填材料的组成、配比及其导热性、工作性等进行测试和研究。
(2)回填材料的主要特性与实验过程
回填材料的主要特性包括回填材料的导热系数、是否各向同性及其稳定性、工作性、抗渗性、强度、热压变形、与埋管以及钻孔壁的结合程度、经济性、耐久性以及对环境是否无污染等。
其中,回填材料导热系数又受回填材料的组成、温度、湿度、压力、密度等因素的影响。
对于给定类型的回填材料,一般随温度、压力的变化不太大,而湿度、密度的变化通常会引起回填材料导热系数发生较大变化。
回填材料是将地层中的热量传递给U型管以及管中的循环介质,或者将U型管和循环介质中的热量传递给地层的重要环节。
它是一个热传递介质,首先要求其具有良好的传热性能;
其次,回填材料还要具有良好的工作性,以及一定的强度、抗渗性和膨胀性等。
为了改善水泥砂浆回填材料的导热系数、工作性、强度及膨胀率等性能,研究人员在实验中[39]采取了多种措施,在配方中加入了多种添加剂。
主要是加入具有较好导热性能又相对经济且容易获得的骨料——石英砂;
同时加入减水剂以减少用水量。
减水剂常作为一种混凝土外加剂,用来提高混凝土的流变性,减小水灰比,提高耐久性;
这同样也适用于水泥砂浆。
而减小水灰比可以降低水泥砂浆固化后的孔隙率,从而可以提高其导热系数,并改善其它物理机械特性。
实验[39测定了粉煤灰掺量、水灰比、砂灰比对水泥砂浆回填材料的导热系数的影响;
由实验筛选的结果推荐了三种水泥砂浆回填材料,它们具有较好的流动性、传热性、膨胀性及耐久性等,导热系数可分别达2.18~2.34W/(m.K),达到了美国Brookhaven国家实验室报道的高性能回填材料的水平,为改善地埋管换热器钻孔回填材料的性能做出了有益的探索。
1.2地热换热器的设计
与传统的空调系统相比较,地源热泵空调系统与传统空调系统的主要区别在于增加了一个地热换热器,即地下埋管环路。
采用地源热泵空调系统还是采用传统的锅炉和制冷机系统对建筑物内部空调系统来说,在设计上没有大的差别。
因此,地源热泵技术的应用,其关键和难点也就在于对地热换热器进行合理的设计、施工与安装,使其与热泵机组和空调末端系统优化匹配。
1.2.1地热换热器的计算及特点
与传统的换热器一样,地热换热器的传热计算也有两种类型,即设计计算和校核计算。
设计计算的目的是根据热交换的负荷和循环液进出口温度的要求,确定所需要的地热换热器的型式,求出换热器的面积(或埋管长度)及换热器的结构(布置形式)参数。
校核计算的目的则是根据现有的换热器结构参数和
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