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1、我国地源热泵系统工程技术规范中的换热器计算方法在实际工12020年5月29日文档仅供参考*国家科技支撑计划重大项目课题( BAJ02A09、 BAJ02A13-4)资助中国地源热泵系统工程技术规范中的换热器计算方法在实际工程中的应用讨论(夏季工况)重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室 单金龙 李百战 丁勇摘要 本文经过对国内外土壤源热泵地埋管换热器常见计算方法的对比阐述,根据中国地源热泵系统工程技术规范(GB50366- )的地埋管换热器计算方法,对某实际工程在夏季工况下的地埋管长度进行了计算,并对计算中存在的几点问题进行了分析,就布置方式和地埋管的间距对地层热阻的影响得到了初步结论。关键
2、词 地源热泵;换热器计算;地源热泵规范;热阻1 背景以利用可再生地热能作为热泵系统低位热源的土壤藕合热泵系统,被称为是21世纪的一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的空调技术,是国际空调和制冷行业的前沿课题之一13土壤藕合热泵技术能否被广泛推广应用,很大程度上取决于精确、可靠的系统设计方法和计算工具的有效性。为完善地下埋管换热器的传热模型,使其更好地模拟地下埋管换热器的真实换热过程,以及确定最佳的埋管换热器的尺寸,国外学者进行了大量的研究,如IGSHPA(International Ground-Source Heat Pump Association)方法,它是北美确定地下埋管换热器尺寸的
3、标准方法。该方法按最冷月或最热月负荷为计算根据,使用情况表明,利用该模型计算一般会偏大10304;NWWA (National Water Well Association) 方法也是一种常见的地下换热器计算方法。它能够直接给出换热器内平均流体温度, 并采用叠加法模拟热泵间歇运行的情况。该方法是在Kelvin线源方程闭合分析解的基础上建立土壤的温度场,进而确定换热器尺寸56。国内学者也做了大量的理论和实验研究。如原重庆建筑大学对地热源热泵地下埋管换热器传热模型的综述7和地源热泵系统地下换热器设计讨论8等,介绍了地源热泵地下换热器模型发展的过程和现状, 并给出了几种典型的模型形式,讨论了地源热泵
4、地下埋管换热器设计中的岩土的热物性参数确定、垂直竖井的回填料、岩土冻结对埋管换热器传热的影响埋管形式、埋管深度、地下埋管系统环路方式、埋管材料、埋管间距、埋管内工作流体以及地下岩土热平衡等问题。另外,哈工大对土壤藕合热泵系统地下埋管换热器传热模型的也进行了研究9,北京科技大学机械工程学院对地源热泵U型管地下换热器进行了CFD 数值模拟10,西南交通大学机械工程学院对土壤源热泵地下垂直埋管换热器常见传热模型的进行了研究11。本文主要根据地源热泵系统工程技术规范(GB50366- )中附录B的方法对重庆市某工程在夏季工况下进行了地埋管长度计算,以期为中国地源热泵相关工程的地埋管长度计算提供借鉴。本
5、规范在编制过程中,编制组进行了广泛深入的调查研究,认真总结了当前地源热泵系统应用的实践经验,吸收了发达国家相关标准和先进技术经验,并在广泛征求意见的基础上,经过重复讨论、修改与完善,制定了本规范。本规范共分8章和2个附录。主要内容是:总则,术语,工程勘察,地埋管换热系统,地下水换热系统,地表水换热系统,建筑物内系统及整体运转、调试与验收。地埋管换热器的各热阻计算采用了圆筒壁导热的基本公式,其中,地层热阻借签了IGSHPA的方法4。下面就应用本规范附录B中的地埋管换热器相关计算公式对某一实例工程进行了详细的计算与分析。2 地埋管换热器计算2.1工程资料本文采用的实例工程占地面积7.55公顷,建筑
6、用地面积55678平方米,其中绿化面积约9300平方米。根据某设计研究院对该工程所进行的空调工程设计,该工程夏季空调设计负荷主楼1575kW,车站1732kW,共3307kW,冬季空调采暖负荷主楼745kW,车站580kW,共1325kW。根据某地质勘察设计院地质勘察钻孔桩桩图,并参考12 和14中的岩石和土壤的热物理性能,经汇总分析得到如下岩土性质分层描述表:表2-1岩土性质分层描述表序号岩土分层岩土性质密度 kg/m3导热系数w/m.比热w/(kg)10-8.10m素填土22501.838362-8.10-16.50m泥岩17802.551379.43-16.5-17.50m砂岩24002
7、.03919.64-17.5-23.30m泥岩17802.551379.45-23.3-52.90m砂岩24002.03919.66-52.90-56.50m泥岩17802.551379.47-56.50-85.90m砂岩24002.03919.68-85.90-91.85m页岩17600.831003.29-91.85-95.10m砂岩24002.03919.610-95.10-100.30m页岩17600.831003.20-100平均计算值22071.981003.472.1 地埋管计算13 2.1.1 传热介质与U形管内壁的对流换热热阻 l.Design Met 根据规范中公式B.0.
8、1-1能够计算得传热介质与U形管内壁的对流换热热阻。从公式中能够看出,要确定,就必须得知道地埋管内径和传热介质与U形管内壁的对流换热系数这两个参数,本工程中的=0.016能够确定,但在取值发现,它与流体的导热系数、流体的运动粘性系数、努西尔数、流体的普朗克数等参数有关,而这些又与流体的温度有关,这些参数能够按照文献14的方法进行计算。本工程夏季工况下流体设计平均温度为30,查相关物性表得,=0.618w/(mk)、=0.805*10-6m2/s, =5.42,冬季工况下流体设计平均温度为10,查相关物性表=0.574w/(mk)、=1.306*10-6m2/s,=9.52,=0.87m/s,根
9、据以上公式能够求得夏季工况下=0.00005495mK/W。2.1.2 U形管的管壁热阻根据规范中公式B.0.1-2能够计算得U形管的管壁热阻,公式中 为U形管导热系数,它的取值与地埋管的材料有关,本工程采用的是交联聚乙烯管(PEX),因此=0.41 W/(mk); 为U形管的外径,本工程取0.018m,U形管的当量直径采用规范中公式B.0.1-3,由于本工程采用的是单U型管,n取2,计算得=0.03176mK/W。2.1.3 钻孔灌浆回填材料的热阻根据规范中公式B.0.1-4能够计算得钻孔灌浆回填材料的热阻,本工程将管井中挖出的泥土作为回填料进行埋填,根据地勘报告,取1.98W/ (mK),
10、为钻孔的直径,本工程取0.12m,计算得=0.124635mK/W。2.1.4 地层热阻,即从孔壁到无穷远处的热阻根据规范中公式B.0.1-7能够计算得地层热阻,根据地勘报告,岩土体的平均导热系数取1.98W/ (mK),岩土体的热扩散率取0.2310-6m2/s,钻孔的半径取0.03m。夏季工况,系统设计运行时间为80天,每天运行10小时,即取2880000s。当取第i个钻孔与所计算钻孔之间的距离值时发现这个参数的取值与地埋管的埋管间距与布置形式有关。随着地埋管的增加,各管对所计算埋管的影响也会增加,作者经过重复计算发现,随着地埋管数量的增加,地层热阻的增加幅度越来越小,作者将计算结果绘制成
11、图表。图2-1埋管形式对底层热阻的影响从上图中能够清楚看出,地埋管的增加对地层热阻的影响幅度变化呈逐步递减的趋势,特别当布置形式超过88时,地埋管的增加对地层热阻的影响已基本不变了,从此处能够说明,在进行地埋管计算时,当布管根数较多,超过88时,能够仅考虑88的布管形式,其余地埋管能够基本不考虑。另外,根据附录中的公式B.0.1-7,作者发现不同的埋管间距会对地层热阻产生影响,为描述埋管间距会对地层热阻产生影响的程度,作者将不同地埋管间距产生的地层热阻绘制成图表:图2-2不同间距下的地层热阻从图2-2能够看出,地层热阻随着地埋管间距的增加逐渐减小,变化幅度慢慢变小,当间距超过5m时,变化幅度已
12、基本趋于零。因此,建议实际工程中,埋管间距取5m左右,如果再增大间距,一方面,换热效果增加不明显,另外,占地面积将会再增加。当间距取5m时,夏季工况下计算得=0.113339mK/W。2.1.5 短期连续脉冲负荷引起的附加热阻:图2-3不同连续运行时间引起的短期连续脉冲负荷引起的附加热阻根据规范中公式B.0.1-8能够计算得短期连续脉冲负荷引起的附加热阻,图2-3为不同的连续运行时间引起的短期连续脉冲负荷引起的附加热阻,从图中能够看出,附加热阻随着连续运行时间的增加而逐渐增加。因此建议空调系统在使用时,尽量缩短连续运行时间,但在实际运行时,空调系统的连续运行时间往往受建筑实际需求的影响。本工程
13、为商业建筑,短期脉冲负荷连续运行的时间取3h,计算得=0.018191mK/W。2.1.6 竖直地埋管换热器钻孔的长度计算根据规范中附录B.0.2-1,本工程的制冷量为3307kW,经过翻阅有关地源热泵设备样本,水源热泵机组的制冷性能系数取4.7,地埋管换热器中传热介质的设计平均温度取30,埋管区域岩土体的初始温度取20,考虑到本工程空调系统的实际运行情况,夏季工况水源热泵机组的运行小时数取800小时,取1920小时,根据公式能够计算得本工程的竖直地埋管换热器钻孔的长度为85942m,单位管井换热量为76.96w/m,此单位管井换热量与本工程的实测值基本相符合。3 讨论在计算传热介质与U形管内
14、壁的对流换热热阻时发现,由于传热介质与U形管内壁的对流换热系数值比较难确定,如果只根据附录中的公式B.0.1-1,无法求得对流换热热阻,具体解决的技术路线请参考文献14。在计算地层热阻时,第i个钻孔与所计算钻孔之间的距离这个参数的确定与埋管的间距和布置方式有关,因此公式B.0.1-7只适用于布置方式和地埋管的间距已经确定的情况,从图2-1能够看出,当地埋管超过88时,能够基本不考虑其余的地埋管对计算管的影响;从图2-2能够得出,地埋管间距最好不要超过5m。另外,指数积分公式在实际工程存在难以计算得问题,希望编者能够进一步深化研究,简化指数积分公式。在计算竖直地埋管换热器钻孔的长度时,规范中给出在制冷工况下,地埋管换热器中传热介质的设计平均温度一般取37,作者经过翻阅大量的样本,发现对于地源热泵,地埋管换热器中的传热介质一般都不超过30,因此平均温度一般小于30。另外,从整个地埋管计算过程来看,钻孔灌浆回填材料热阻和地层热阻对地埋管热阻影响最大,因此合理地选择回填料,以及确定地埋管布管形式和埋管间距显得至关重要。参考文献:1 殷平.地源热泵在中国.见:现代
