地源热泵设计研究：不一样换热器的地源热泵系统地源热泵设计：不一样换热器的地源热泵系统研究 G. Yoon*1, K. Nakazawa*2, H. Niwa*3, H. Kitora*2, M. Okumiya*1 1.日本名古屋大学 2.日本关西电力能源有限公司 3.日株式会社建筑设计研究院 摘 要：为了更好的提高地源热泵系统的普及率，有必要降低系统的初投资。因此，预先埋入热交换器以节约初投资的施工方法目前正在积极发展。然而，许多时候这种方法受制于建筑的结构。当需安装的换热器多于此方法所支持的数目时，不一样换热器的复合...
：不同类型换热器的地源热泵系统研究 G. Yoon*1, K. Nakazawa*2, H. Niwa*3, H. Kitora*2, M. Okumiya*1 1.日本名古屋大学 2.日本关西电力能源有限公司 3.日株式会社建筑设计研究院 摘 要：为了更好的提高地源热泵系统的普及率，有必要降低系统的初投资。因此，预先埋入热交换器以节约初投资的施工方法目前正在积极发展。然而，许多时候这种方法受制于建筑的结构。当需安装的换热器多于此方法所支持的数目时，不一样换热器的复合应用是一种很有用的方法。本文介绍了由水源热泵和不一样换热器组成的地源热泵系统模块设计过程和技术上的支持。 1.介绍 由水源热泵和不一样换热器组成的地源热泵系统从土壤中取热或排热。通过从土壤中取热或排热，其效率比空气源热泵高。所以，地源热泵系统能节约能源。此外，能减少排到空气中的热量，可有实际效果的减少城市的热污染及热岛效应。 尽管系统相对简单，但打地埋管孔的费用较高，造成地源热泵系统初投资高。所以，怎么来降低这种系统的初投资是考虑的重点。最常见的是钻孔，包括打孔、埋入地埋管和回填。这种换热器打孔费用最高。(Rybach, Eugster et al. 1992). 为降低换热器费用，积极发展嵌入式换热管施工法，在这方面，提倡用现浇法和加入混合土墙法（soil mixing wall,SMW）(Gao, Zhang et al. 2008)。然而，此法受限于安装该系统参数，这是由建筑物的大小和现状决定的。例如，一些GHEs可安装的数量受桩基的桩间距、数量和深度限制，以及混合土墙（soil mixing wall）长度的限制。在地源热泵对应某一特定建筑暖通空调系统中，不一样的GHEs（地埋管换热器）和钻孔类型联合起来可以产生高效率。此外，联合应用时，它被认为是具有最好性价比的联合系统。 本文在不一样的地埋管交换器组合应用基础上，介绍和讨论如何设计地埋管换热器。 2.系统概要 图1显示研究中系统的布局。该系统由水源热泵设备和多个GHEs组成 。 图1 ：工程系统的分布示意图 假设
1三种不一样的GHEs都与热泵机组耦合。流行的钻孔型GHE由两个插入钻孔U形管聚氯乙烯组成。此外， GHEs的SMW工型使用混合土墙技术来安装U形管，以减少相关成本钻孔。最后方法有利用现浇混凝土桩基。这些GHEs耦合并行热泵设备。第3.2节有详细说明。 表1 ：三种类型的地埋管系统 每一个单元的规格。（SMW类型串联连接的U型循环；桩基础类型；8个U形管） 3.地源热泵系统模块设计过程 3.1设计过程描述 设计过程中的不一样的GHEs地热热泵系统如下。 第1步：确定热负荷 地源热泵系统热负荷由建筑的全部或部分热负荷决定。当热负荷已确定，就能确定热泵设备热容量。此外，在此阶段，建议粗略的估计安装成本，建筑里GHEs数量上限。 第2步：确定设计指标，全年COP，冷热季节 理想的做法是，地源热泵系统COP等于或大于空气源热泵系统。 第3步：设计GHEs组合 确定加上热泵的GHEs组合能满足COP目标。选定的系统应该是各系统中最便宜的。如果组合系统不满足COP目标，则回到第一阶段，地埋管地源热泵系统的热负荷需重新确定。 第4步：验证设计系统 用适当的方法确定地源热泵系统的实际COP，如数值模拟分析。 然而，在上述设计过程中的第3步，不能简单的确定最适当的组合。因此，有必要制定一个简单的方法用于确定最合适的组合GHEs 。 3.2模拟地源热泵系统模型 3.2.1热泵模型 供暖运行模式 输出：Q=4.79×Tw+170.44（1） 功率：W=0.22×Tw+49.89（2） 制冷模式 输出：Q=-1.47×Tw+208.58（3） 功率：W=0.95×Tw+7.48（4） 其中，Tw是GHEs出口温度 图2 ：热泵设备性能 假定热泵设备在额定输出模式下热源水量，加热/冷却恒定（乙二醇溶液， 含量20 ％） 。热泵的运行性能曲线所示。通过GHEs出口热源水温计算输出与热泵功率，从换热器流至热泵的水源导致运行效率的变化可看出来。 3.2.2地埋管换热器模型 图3所示为三种类型GHEs模型。虽然各种地源热泵换热器都是直径为20mm的PVC管，U形管横截面都转换成一个长方形，以简化模型和模拟(Yoon et al.,2006)。 同时，转换后可避免改变换热面积和管道水流量。此外，尽管8个U形管在直径2.2m混凝土桩基外排列成一个圆形，管间距变化不大时，构建的模型可将其设为长方形。 除SMW工法，GHEs周围的地面在模型中是作为一个长方形计算域，长和宽20m和深100m，如图4所示。 图3 ：三种类型的GHEs模型 除地埋管系统的顶部和底部取决于地面和地下100m深的情况外，所有的边界条件均设定为绝热。公式中的热平衡计算域和地面如下所示。考虑了太阳辐射和长波辐射。假定底部温度稳定地保持在室外的年平均气温。地下100m有效导热系数是1.75W/mK，有效热容量是2366kJ/m3K 。在向地下排放的总热量与提取的热量之间有差距，由以前的研究可知，这种系统运行三年后就能达到周期性热平衡。 地下热平衡 地面热平衡 图4 ：计算域 设SMW型的地面计算域在X轴为3m宽，因为U形管间距调整为3m。此外，一面的计算域距机房0.8m，机房空气温度在任何一个时间里都比室外高5 。 3.2.3计算过程 计算过程如图5 。经过计算得出热源水温在每个GHE出口的水温，流入热泵的水温，由流出GHE出口平均水温得到。然后，热泵消耗的电量和功率可以从热泵运行性能得到。接着，可计算出流回到GHEs的水温并用于GHE计算模块。水温设定在-12oC和52oC之间。如果水温在此范围外，热泵停止运行。 在上述条件下进行仿真。进行初步的模拟后，所有的模拟运行时间为5月1日至次年4月30日。热泵在5月1至 10月31日制冷，在12月1日和4月30日之间供热。11月停止运行。除节假日，热泵每天在10:00 ? 17点59分之间运行，共八小时。 图5 ：计算过程 基于如上所述数值模式，耦合GHE的热泵系统模拟如图6所示，这是设计组合GHEs所需要的。计算得到 GHE单位传热率、GHE出口季节性平均水温、热泵的COP，并绘制这些图表。 4.地源热泵系统模块设计实例和验证 在本节中，实际GHEs（地埋管系统）组合的设计条件表2所示。 表2 ：实例设计条件 地源热泵 满负荷 50RT 热水源流量 660lit/min（T=5℃） 能安装的GHEs的最大量 钻孔：没有限制 SMW：最多20组，桩埋管：最多2组 安装费用 SMW
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