冷热负荷不平衡区地热换热器的设计与运行对策

冷热负荷不平衡区地热换热器的设计与运行对策

摘要：为了提高使用地下，地上钻管36的温度场的冷热负荷不平衡区域GHP系统均匀性的基团组成的2.5冷热负荷比：1.0，运行20年实施例，三种分区提出的布置的优化钻孔稀疏致密的外仿真结果表明：埋入管道中央区的数目相对稀疏，有助于降低温度梯度的温度场，提高了温度场，传统的管道均匀的方式的均匀性在所述边界区域比大于能有效地降低峰值温度在该领域的中央区域，除了稍高的温度下，热扩散系数小的土壤，使用稀疏中间管道，优化外围管道的程序的更明显的影响的紧凑的设计，来验证外管的可行性稀疏群优化的密集排列。

关键词：地埋管换热器清洗

随着世界对环境问题的关注，各国正在逐步提高可再生能源的使用比例。 地源热泵是以土壤为冷热源，通过埋管换热器在土壤中实现热量交换的一种可再生能源利用技术，一年内波动幅度小，性能稳定，因此，地源热泵空气调节技术以其节能、高效、环保的特点在各国建筑中得到广泛应用。 然而，供冷供热负荷不平衡是制约单一地源热泵应用的一个关键问题。

针对单一地源热泵系统运行效率受冷热负荷不平衡制约的不利因素，国内外学者进行了多方面的研究，以改善地下温度场冷/热积累，提高地源热泵的运行效率..采取的措施主要集中在优化系统运行控制策略，采用太阳能或工业余热等辅助热源的复杂地源热泵系统，改变埋管间距，分区运行调用等..就运行控制措施而言，文献表明，与连续运行相比，间歇运行有利于改善地下积热现象，可以提高地源热泵系统的效率。复合地源热泵系统将辅助设备与单一地源热泵系统相结合，通过辅助设备承担不平衡冷热负荷，如利用冷却塔承担夏季不平衡负荷，利用太阳能集热器收集太阳能或工业余热作为冬季采暖负荷大于夏季空调负荷的补充。本文研究了渗流情况下管群非等间距布置的地下温度场相对于等间距布置的地下温度场的变化..对冬季和夏季不平衡区管群运行情况进行模拟分析。对于夏季负荷高于冬季负荷的情况，笔者假设夏季所有埋管均参与作业，冬季仅有中心区埋管参与换热。

为不平衡地热冷却与加热负载应用系统的研究，稀疏布置在根据均匀的温度场的原则外密钻孔优化方法本文中，热未来埋在分区是一个合理的分配以避免内设置的配管区域局部冷/热的积累，有具有配管的同一区域中的常规的设计方法，可以有效地降低场地面温度和温度梯度的温度场减小峰/谷的现象，相比于传统的设计方法和等间距这种方法不增加的初投资，不增加传统葬土壤温度场的面积不改变控制策略的前提下实现的裁减效果，提高系统的效率和经济性。

1、埋地管道群传热分析

1.1地埋管传热模型

该解假定土壤为半无限介质，介质的初始温度相同，岩石和土壤的热物性均匀，不随土壤温度变化，有限长度埋管钻孔外土壤温度变化为041 fet (ve + e-0 / :) / b + (g-aef (vo + g + o / o: d)14 m (1) vo + (g + a) t: 0为钻孔中心的过剩温度，c: q 1为钻孔温度传递计，w / m: x 为土壤热导率，w / m k:

p是距埋管中心的距离，m：a是土壤的热扩散率，m2/s：

：是轴向钻孔的坐标，米：H是井眼，米深度：r为时间，s。

1.2叠加原理

该方法在处理时变边界条件和时变载荷问题时简单有效。 在实际应用中，地埋管的吸放热量随建筑物的冷热负荷时间的变化而变化。 通过使用重叠定理，热流密度可以用一系列连续的矩形热脉冲来近似，例如, 我们取积分公式 ti (a，i) t. a + iqn (r) esdanu-2ar (2)可以重写为 ti (x,) t 在 a + 2qug (x1-ja)(3) : t (x,)是温度响应函数; X 是位置坐标，m; t 是土壤初始温度，c，9(r)是换热器的传热速率，w / m，7是时间积分变量，s，g 是换热器单位负荷温度的响应函数，尺寸为1: aq。 ，为第一次间隔9。 负荷的阶跃变化值: n 是时间间隔的总数; 对于时间段，s1.3埋地管群按叠加原理传热模型，可以得出结论: 埋地管群中任一点的超温升是各钻孔超温升的叠加，考虑埋地管负荷的动态变化特性，结合阶跃负荷，采用变热源4理论，可以得到有限长线性热源模型埋地管群区域任一点的温度变化, 也就是说，任一点的温度都是埋地管道区域内所有埋地管道在运行期结束后在这一点产生的多余温度，0(x，y，a) vi + (- h) efe (点差 w 检验” | 40-4.0-12ag. - rr / a + g-a) tne + g + 2al out (4) ve + (g + a) t: i 是管群中孔的数目，n: j 是某一载荷的时间作用点，总时间步长为 m q，对于第一个孔时的热通量，w / m: p. √(x-x-rrb- ’ + (y-y) ，(x，y)表示管群平面上的任意点，(x，y)。 . Y)表示第一井2传热分析与优化的位置坐标。2.1以传统均匀埋管群的温度场为例。 传统埋地管道的间距设计为5米，方形布置为30米至30米(见图1)。 基于剖面1，模拟了埋地管道20a 运行后的三维温度场，如图2所示。 岩土热物理参数。

模拟计算中，每延长米定冬夏季负荷为20～50W/m\179;，地源热泵系统在冬夏季各投入运行3个月，停止过液季，冷热负荷比为2.5：1.0..由此可以看出，传统的均布管方式应用于冷热负荷不平衡区时，由于埋管换热器周围的热量作用相对集中，多余的温升较高，可以减小埋管换热器的温差，降低传热效率，降低系统的运行效率。

2.2埋管布置优化

传统的钻孔均匀的方式在配管设计条件3种分区，分别围绕孔28，内孔8设置在同一区域，围绕孔32，内布4和周围钻孔36布置个月，无内孔布置，岩土热性能。

三种优化方案运行20年后埋管区温度场响应如图4所示。上述模拟计算条件与传统均布管计算实例相同。

2.3优化结果分析

三种优化方案的三维温度场。 与传统方法相比，三种优化方法的波峰均有不同程度的降低。 优化方案3的改善效果最为明显，因为优化方案减少了中心区域的管数，降低了中心区域地埋管换热器之间的热效应，减缓了中心区域的热量积累，降低了温度梯度，提高了温度场的均匀性。 从图中还可以看出，三种优化方案的边缘温度与传统方案相比变化不大，三种优化方案边缘换热器的传热效果几乎没有改善，有时甚至更糟。 这主要是由于边界区域埋地管道的增加和管道间距的减小，加剧了埋地管道之间的相互作用，恶化了传热条件。 同时，大多数埋地换热器的温度梯度往往是相同的。

给出了传统设计的残余温度场等值线图和三种优化的管道布置方案。从图5(A)(B)(C)(D)中得出结论，三种方案中心区域的残余温度等值线值分别为17,16°C和15°C。与传统均匀分布埋管的中心区域相比，传热效果是最明显的优化方案3，中心区域的残余温度降低了4°C，而边缘的轮廓值则不一样。

从列出的值：1,2,3优化相对于传统的解决方案，土壤平均温度的升高而降低0.82,1.19,1.70℃，最高温度已经超过2.45,3.41,4.80下降℃，研究表明，国家。土壤温度每升高1℃，在能耗3-4%的增加取冷却的相同量，而在我的最低温度比传统的优化方案仅增加0.21,0.30和0.44℃下，传统的在比最大和最小温度差更大的设计温度场是10.72℃，优化方案3只5.48℃，温度场的均匀性得到明显改善。

为了更直观地分析优化设计前后温度场的变化规律，在土壤中的特定位置设置参考点，参考点的位置分别位于布管区的对角线、中线和周界。给出了基准点位置示意图，并对不同布置方案的基准点超温进行了比较。对角线参考点的超温对比图如图7(a)所示，对于温度场拐角处的参考点s，优化方案1、2、3的超温比传统方案略有升高，因为随着中心区管道布置的向外移动，边界处埋管数量增加，边界处埋管之间的热效应增强，热交换略有恶化。从S2来看，优化方案的超温比传统设计方案低，且参考点在中心点靠近中间时，优化前后的超温差越大，在优化方案3中，由于中心区不设埋管换热器，边界对中心区、参考点s、s的热效应影响不大，超温低于参考点s，中心区换热明显改善。(b) 对比边界线参考点的超温，图中曲线显示：边界参考点的超温总体趋势一致，呈逐渐上升趋势，但B点后优化方案的超温比传统方案低，比B点前略高，说明优化方案虽然增加了边界埋管数量，边界处的热量容易增加，向周围扩散对边界处传热的影响不显著，甚至由于中心区埋管的减少，某些部位的传热也有所改善。给出了中线参考点的超温对比图。从Z、点到Z，优化设计方案的效果优于传统设计方案。Z： 该点优化效果弱。参考点越靠近中心点Z，优化效果越明显。优化设计方案3甚至出现了中心区超温不升不降的趋势

当热扩散率 a 分别为0.5 l0-7,1.0 ~ 10 w / (mk)和1.5100 w / (mk)时，给出了20a 运行周期后对角线上各参考点的余温曲线，从曲线变化可以推断，传统设计方法与优化设计方案3的余温差逐渐减小，优势随对角线上各参考点土壤热扩散率的增加而减小。 这是因为热扩散率反映了土壤温度一致性的能力，热扩散率很大，而且土壤温度一致性的能力很强。 因此，小热扩散率土更适合采用中部疏管敷设、外围紧管敷设的优化设计方案。

3、结论

1)以6×6管组为例，在不增加埋管面积的情况下，优化了传统地源热泵系统的地下埋管布置。结果表明，与传统设计相比，温度场峰值现象得到了改善，温度梯度降低，温度场趋于均匀，有利于提高系统运行效率。

2)在通过大于温度的基准点不同的位置比较，该中心行表示的基准点，以优化所述热交换器均优于传统的解决方案，在比常规设计的热交换器的位置的边界部分，如与常规设计相比而对角线上的参考点一些位置稍微恶化，通过温度，除了在基准点的角略高于常规的设计，其余为小于基准是常规设计的，并作为位置靠近中央区域，更大的差，传热越显著提高的效果。

3) 优化设计方案更适合于土壤热扩散系数较小的地区。土壤热扩散系数小，导热系数相对较弱，储热能力较强。此时，中间管布置稀疏、外管布置严密的优化设计方案效果更为明显。例如，在山东、北京等大部分地区，浅层岩土的热扩散系数当然在2.5×10-W/(m·K)以内，工程是否采用优化布管方案，应根据实测岩土层热物性参数等资源条件和建筑空调系统条件综合确定。