《地埋管换热系统的火用分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地埋管换热系统的火用分析（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、0 引论地埋管换热系统的火用分析陈雁戴传山赵军天津大学机械学院摘要：建立了地埋管地源热泵系统的源侧火用分析模型，对地埋管换热系统进行了火用分析，研究了不同埋深和环境温度的变化对系统火用增量的影响。结果表明，合理控制热泵的运行时间可以使系统获得较高的火用增量；埋深超过I O O m 时，深度的增加对提高火用增量来说并不经济。随着人们对环境问题的关注，可再生能源利用技术获得了快速发展，在中国，地埋管地源热泵具有很好的代表性 1 】。地埋管地源热泵系统以浅层土壤为热源，其热力性能主要受到当地水文地质条件的制约，进而影响到整个系统的经济性。以往的许多研究是以强化埋管侧的传热为目的，进行了大量的实验和理
2、论工作，发展了多个地埋管换热模型 z - 3 】。在地埋管地源热泵系统的热力学分析方面，研究比较少。丽热力学火用分析也是合理有效地利用能量，获得最佳技术经济效益的一种途径，本文拟对地埋管换热系统进行这方面的研究。 1 系统描述。本文所研究的系统是以垂直双u 型地埋管换热器为例，埋于地下的地埋管换热器既受到环境温度的影响，也受地表浅层温度分布的影响，如图1 所示。地埋管换热器系统是由换热管循环工质( 水) 、地下岩土和循环水泵组成。由于各种水源热泵负荷侧的组成基本相同，区别主要在于热源侧，因此，将埋管侧火用增量的影响作为重点来研究。为便于理论分析，文中采用了如下主要假设：( 1 ) 假设室内侧负
3、荷Q 保持恒定；( 2 ) 环境温度随时间遵循余弦函数变化；( 3 ) 地埋管内流动为湍流。 2 火用分析模型的建立2 1 系统的火用增量循环水经水泵吸入口、水泵和地下埋管换热器，到埋管出口这一流动过程中，系统火用的增量篮以p 由两部分组成：工质焓火用的增量筮和水泵耗功火用增量鼢叩的代数和。即 船水2 蛳+ 妇删( 1 )其中，2 娥盘通过埋管与周围岩土之间的换热得到，在夏季表现为冷量火用，冬季表现为热量火用。循环水泵的电耗功使系统所得净火用减小，表现为对整个系统来说火用增量 瓯p是负值。分析中假设循环水泵使流体压力火用的增加量，恰好等于由于克服埋管换热器的流动阻力所消耗的火用。51 q盯23
4、=：)：g 刃7 ”4 。图1 地下换热系统国家“8 6 3 ”资助项目( 2 0 0 7 A A 0 5 2 4 6 2 ) ，国家科技支撑计划( 2 0 0 6 B A J 0 3 A 0 6 )2 2 工质的焓火用受物性的影响及随时间的变化稳流系统的工质的焓火用可分为两部分：热火用和机械火用 4 】o 即确詈蠹曲+ 卫础工质的热火用是温度的函数，按下式计算 “ 】戤醢= 麓毳) 暑加转一霹一霸编拿液态工质的机械火用与工质的压力和比容有关，按下式计算 I 琳_ 渤硌一鹣( 2 )( 3 )( 4 )以上各式中，兀P 、v 分别表示水的温度、压力和比容，脚标0 代表系统对应的死态( 环 境状
5、态) 。水一般可认为是不可压缩流体，比容v 是定值，而埋管侧的循环流量嘲取设计值。求解式( 2 ) ，需要确定埋管中的出水温度死因此涉及到埋管与周围岩土之间的传热问题。u 形管内某处的水温r 通过求解其对应的无量纲过余温度岛得到：訾= 兵2 扣翟( 5 )式中，每。艇繇缸啄氟垃习，是热物性与几何参数的函数，其中五是所求点对应深度( 1 j5 ：J | ) ，H 是钻孔深度。，是导热系数，矗是管内水的对流换热系数。脚标蚤，分别表示钻孔、土壤和管道。假设系统最初以设计参数运行，因此初始时刻的埋管入口水温：f k 是已知的。当热泵连续运行时，热泵的冷凝温度( 冬季) 或蒸发温度( 夏季) 受土壤温度
6、变化的影响而波动，这会导致热泵效率( C O P ) 的波动，进而引起入口水温l k 的变化，它们之间的耦合关系按下面经验关系式确定：鲫一堋a 一覆粕乎k 一乏。母I 鬣徽i 軎罗儡，一霉口? 叠( 6 )式中，和分别是冷凝器和蒸发器的出口水温。钻孔热负荷( 埋管的吸排热量) g 与热泵性能有关，具有逐时变化的特点，可通过负 荷和C O P 确定。2 3 水泵耗功的火用损失水泵功率取决于扬程P 和流量m ，而扬程与管道阻力( 与管长工以及弯头数目有关) 成正比。假设水泵提供的扬程恰好克服了流动阻力，埋管出口水的压力为系统入水压力( 即进出口处水的压差为O ) ，则水泵耗功在数量上等于工质在埋管
7、进出口的机械火用之差。根据以上分析，系统的火用净增量可表示为 暑蛾k 一晦唧暑a 昌觑一一托甜( 7 )式中，循环水的密度、流量为已知，而环境温度T o 为实时温度，计算时可以用拟合的正弦函数或实际测量的气象数据。系统获得火用净增量是以水泵耗功为代价的，仅以火用增量而言，并不能恰当地反映过程中收益与支出的对比关系。因此，按照与定义性能系数类似的方式，本文提出源侧火用效比的概念，按下式定义：作为收益的炯冒阳= 祗积丽= 荫由上式可知，源侧火用效比反映的是从热源得到的净火用与消耗电能的相对大小，在一定程度上也反映了水源热泵系统从源侧获取火用的经济性。 3 计算结果与分析现以天津地区一建筑为例，进行
8、地埋管换热系统的火用分析。该建筑空调面积1 0 0 0 0 平米，夏季冷负荷为1 2 0 0 k W ，冬季热负荷为9 0 0 k W 。供暖时，设计冷凝器进出口水温为4 0 4 5，制冷时，蒸发器进出口水温为1 2 7 。系统自7 月1 日起按制冷模式运行，至9 月3 0 日止，排热结束，进入季后恢复期；自1 1 月1 5 日起按供暖模式运行，至第二年3 月1 5 日止，吸热结束，进入第二个恢复期，直至6 月3 0 日，整个吸一排热周期结束为止。在吸、排热过程中，热泵机组按连续模式工作，即每日2 4 J 、时无间歇运行。3 1 埋管深度的影响图2 是不同钻孔深度下( 1 5 m ，l O O
9、 m ，2 0 0 m ) 埋管出口水温在整个吸、排热周期中的变化，以及在不同深度下( 1 m ，1 5 m ) 土壤的温度变化情况。在三种钻孔深度下，整个夏季排热期间l O O m 钻孔的埋管出口水温始终低于其它两种钻孔，而冬季吸热期间，2 0 0 m 一钻孔的出水温度最有利。1 5 钻孔在夏、冬两季均是最不利的，原因是在环境温度作用下，土壤热源所具有的“冬暖夏凉”的特性在浅层埋深处受到影响，但浅层土壤一般冬夏热平衡性较好，在热扰动结束时，能更快地恢复到初始地温水平。深层土壤的温度变化主要受地温梯度的影响，在3 0 m以下的增温带中，将随深度而不断增加，天津地区的地温梯度约为3 1 0 0
10、m ，在l O O m - 2 0 0 m的范围内，地温梯度起主要作用。因此，深埋对冬季换热有利。根据以上分析，l O O m 是较为有利的安装深度，这一深度基本消除了环境温度波动对换热造成的影响，又避免了深埋时因钻孔难度增大和管材承压性能提高所需的附加成本。3 2 环境温度的影响火用是以给定环境作为基准得出的相对量，当过程涉及时间较长，忽略环境温度的变化会造成较大的误差。因此，考虑环境温度的动态变化对整个吸、排热过程中火用的影响会更合理。本文在计算系统火用增量时，以当地气象参数为依据，用逐时环境温度作为参照，结果如图4 所示。土壤导热系数为九= 1 3 W ( m * C ) ，不同深度钻孔
11、条件下的结果。可以看出：系统火用增量的变化呈现出与环境温度相反的趋势。原因是土壤是温度相对稳定的热源，埋2 l昔进、出口的水温变化也较缓慢( 如图2 ) ，而环境温度的1 2 变化与年变化相对均较人，因此，系统火用增量将随基准环境温度而盘化。需要i ! ! 意的是，在临近吸热结束的一段时间里( 约1 个月) ，系统火用增量m 现负值。这是由于作为摹准的环境温度在冬季的后芈时段逐渐上川高于工质温位。虽然此时仍能从士壤中吸热怛从获得蕞大的火用增量出发，此时应停止求源热泵机组的运行，用其它方式供暖。火川教比随深度的增加比较显著这是由于浅埋时钻孔占用场地面秘太、流程长而且管路接头多，因此管线流动阻力增
12、加，在同样的火用增量下水泵耗功增大造成的。_ _崮2 上壤和出水温度随深度的变化图4效比随深度及气温的变化4 结论1 5 ， 1 0 ：( 1 ) 持续运 r 小利于维持热源( 土壤) 的稳定性进而影响到工质的温度导致在运 J 一段时间后火用增量为负值。应合理控制运停时间，以保持较高的火用增最水平。( 2 ) 环境变化对热源的影响不可忽视，浅埋时尤其如此。无论地排热上况还是吸热工况15 m 钻孔的 i 水温度都小如源埋l O O m 时有利。火用增晕的变化! f | l J 勺环境温度变化呈相反趋势。( 3 ) 由于浅埋时水泵耗功增多。滞侧火用效比随渊堑的增加而减少。该参数一叮_ 以反映水源热
13、泵采用不同热源时，火刖增晕与耗功的数慑对比，为选择台理、经济的埋管深度提供了理论依据。参考文献t赵军，藏传山，地源热杂技术与建筑节能应用，中陶建筑工业出版社，2 0 0 7【2 jS i g n h i i n G e h l i n ，T n e 邢a lr e s p o n s e t e s t m e t h o dd e v e i o p m e ma n de v a l l l a t i o n D S w e d e n ：D o c t o r a lt h e s i s ，L 凹d U n i v e r s i 吼2 0 0 2【3 】骨和义、卅乃仁、方肇激- 竖
14、直埋管地热蚨热器钻孔内的传热分析【叼t 太阳能学报，2 0 9 4 * 2 5( 3 ) ：3 9 9 - - 4 0 54 】朱明善。能量系统的火用分析【M 】，北京清华大学出版社，1 9 8 85 lA n f H e p b a s l iA k e yr e v i e wo ne x e r g e t i c n a l y s i sa n d 擗嘟m e o to fr e a e w a b i ne n e r g y i c s o u t _ c e sf o ras u s t a i n a b l e f u t u r e J ，R e n e w a b l e a n dS u s t a i n a b l eE n e r g y R e v i e w s ，2 0 0 8 1 2 ( 3 ) 5 9 3 6 6 1
