土壤源热泵型U埋管换热器传热研究
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摘要
土壤源热泵系统利用地下土壤作为冷(热)源，具有节能和环保的特点。采用U型垂直埋管换热器的土壤源热泵以其占地面积小、适用范围广、性能稳定、换热效率高等优势得到了越来越广泛的关注和应用。
本文介绍了土壤的物性，结合相关文献给出原始地温计算式。针对垂直U型埋管换热器建立瞬态传热模型，采用控制容积法对方程进行离散，对换热器周围土壤温度场和管内流体温度进行数值模拟，模拟结果与实验数据吻合的较好。结果表明：靠近管井壁面的区域径向温度梯度大，远离管井壁面的区域土壤温度变化不明显。随着土壤源热泵在制冷工况下连续运行，埋管出口介质温度和管井壁面温度逐渐升高。热泵刚开始运行的一段时间，管井壁面温度升高的很快，随着运行时间的增加，温度变化减小，直至达到某一稳定温度值，系统处于稳定状态。稳定后的换热器传热半径可用于确定两管井的最小间距。进一步分析了单位长度管井换热量对换热性能的影响，单位长度管井换热量越大，可减小埋管长度和管井数，但埋管出口介质温度相应也越高，热泵制冷性能降低。因此应根据土壤特性，选择合适的单位长度管井换热量。本文在利用温度频率法分析建筑冷热负荷的基础上给出了确定垂直U型埋管地下换热器长度的方法。此外，对混合式土壤源热泵也作了初步探讨，通过实例分析出混合式土壤源热泵节能效果显著。以上分析为系统设计提供一定参考价值。
The Ground-Source Heat Pump system makes full use of soil as cold or heat source and boasts the features of protecting the environment and saving energy. GSHP with the adoption of the vertical U-tube heat exchanger has become increasingly popular because of such outstanding advantages as fewer area requirement, fewer limits, more steady and effective performance etc.
This paper introduces edaphic characteristics and presents the equations to determine the undisturbed ground temperature based on relevant literature. A transient heat transfer model for the simulation of a single vertical U-tube heat exchanger is built and the controlled equation is dispersed in terms of Finite Volume Method. The temperatures of soil and fluid in U-tube are simulated and simulation results and experiment datum are consistent. The results indicates near the wall of tube well the radial temperature grad is great and far from the wall the grad is little. Along with GSHP running at refrigerate condition the temperatures of the out medium and the wall gradually rise. At the beginning the temperatures of wall of U-tube and soil rise quickly and along with the Heat Pump running the temperatures change tardily until the temperatures are steady. The system will be at steady state. Then, the least space between the well and the adjacent well can be fixed. Analysis of the quantity of heat exchange of unit length tube well having effects on exchanger capability indicates the tube length and the number of well can be reduced if the quantity of heat exchange is increased. But the out medium temperature will be higher and the Heat Pump refrigerate capacity is lower. Appropriate quantity of heat exchange of unit length tube well should be chose according to edaphic characteristics. This paper provides a method to determine the length of vertical U-tube exchanger based on BIN method calculating building load. What's more, this paper researches the mixed Ground Source Heat Pump and proves the mixed system's energy saving is evident by analyzing an example. Analysis above is essential conditions to design the Heat Pump system.
本文介绍了土壤的物性，结合相关文献给出原始地温计算式。针对垂直U型埋管换热器建立瞬态传热模型，采用控制容积法对方程进行离散，对换热器周围土壤温度场和管内流体温度进行数值模拟，模拟结果与实验数据吻合的较好。结果表明：靠近管井壁面的区域径向温度梯度大，远离管井壁面的区域土壤温度变化不明显。随着土壤源热泵在制冷工况下连续运行，埋管出口介质温度和管井壁面温度逐渐升高。热泵刚开始运行的一段时间，管井壁面温度升高的很快，随着运行时间的增加，温度变化减小，直至达到某一稳定温度值，系统处于稳定状态。稳定后的换热器传热半径可用于确定两管井的最小间距。进一步分析了单位长度管井换热量对换热性能的影响，单位长度管井换热量越大，可减小埋管长度和管井数，但埋管出口介质温度相应也越高，热泵制冷性能降低。因此应根据土壤特性，选择合适的单位长度管井换热量。本文在利用温度频率法分析建筑冷热负荷的基础上给出了确定垂直U型埋管地下换热器长度的方法。此外，对混合式土壤源热泵也作了初步探讨，通过实例分析出混合式土壤源热泵节能效果显著。以上分析为系统设计提供一定参考价值。
The Ground-Source Heat Pump system makes full use of soil as cold or heat source and boasts the features of protecting the environment and saving energy. GSHP with the adoption of the vertical U-tube heat exchanger has become increasingly popular because of such outstanding advantages as fewer area requirement, fewer limits, more steady and effective performance etc.
This paper introduces edaphic characteristics and presents the equations to determine the undisturbed ground temperature based on relevant literature. A transient heat transfer model for the simulation of a single vertical U-tube heat exchanger is built and the controlled equation is dispersed in terms of Finite Volume Method. The temperatures of soil and fluid in U-tube are simulated and simulation results and experiment datum are consistent. The results indicates near the wall of tube well the radial temperature grad is great and far from the wall the grad is little. Along with GSHP running at refrigerate condition the temperatures of the out medium and the wall gradually rise. At the beginning the temperatures of wall of U-tube and soil rise quickly and along with the Heat Pump running the temperatures change tardily until the temperatures are steady. The system will be at steady state. Then, the least space between the well and the adjacent well can be fixed. Analysis of the quantity of heat exchange of unit length tube well having effects on exchanger capability indicates the tube length and the number of well can be reduced if the quantity of heat exchange is increased. But the out medium temperature will be higher and the Heat Pump refrigerate capacity is lower. Appropriate quantity of heat exchange of unit length tube well should be chose according to edaphic characteristics. This paper provides a method to determine the length of vertical U-tube exchanger based on BIN method calculating building load. What's more, this paper researches the mixed Ground Source Heat Pump and proves the mixed system's energy saving is evident by analyzing an example. Analysis above is essential conditions to design the Heat Pump system.
引文
1 王长贵，郑瑞澄．新能源在建筑中的应用．第1版．北京：中国电力出版社，2003
2 徐邦裕，陆亚俊，马最良．热泵．第1版．北京：中国建筑工业出版社，1988
3 徐伟等译．地源热泵工程技术指南．第1版．北京：中国建筑工业出版社，2001
4 陶文铨．数值传热学．西安：西安交通大学出版社，2001
5 陆金甫，关冶．偏微分方程数值解法．第2版．北京：清华大学出版社，2004
6 梁昆淼．数学物理方法[M]．第1版．北京：高等教育出版社，1998
7 龙惟定．建筑节能与建筑能效管理．第1版．北京：中国建筑工业出版社，2005
8 郭宽良．计算传热学．第1版．合肥：中国科学技术大学出版社，1998
9 龚毅．泵与风机．第一版．北京：海洋出版社，1998
10 陆亚俊，马最良．暖通空调．第1版．北京：中国建筑工业出版社，2002
11 建筑工程常用数据系列手册编写组．暖通空调常用数据手册．第1版．北京：中国建筑工业出版社，1997
12 陆耀庆．实用供热空调设计手册．第1版．北京：中国建筑工业出版社，1993
13 梁荣光．实用空调制冷技术．第1版．广州：广东科技出版社，2003
14 地下建筑暖通空调设计手册编写组．地下建筑暖通空调设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1983
15 杨世铭，陶文铨．传热学．第三版．北京：高等教育出版社，1998
16 http://news.xinhuanet.com
17 http://www.china.org.cn
18 赵庆波，单葆国．世界能源需求现状及发展．中国能源．2002，(2)：34～36
19 杨卫波．土壤源热泵系统国内外研究状况及其发展前景．建筑热能通风空调．2003，(3)52～55
20 姚杨，马最良．水环热泵空调系统在我国应用中应注意的几个问题．流体机械．2002，30(9)：59～61
21 张佩芳．地源热泵在国外的发展概况及其在我国的应用前景初探．制冷与空调．2003，22(1)55～60
22 黄奕云，陈光明，张玲．地源热泵研究与应用状况．制冷空调与电力机械．2003，24(1)：6～10
23 杨清．地源热泵在邯郸地区的应用实例．中国煤田地质．2003，15(3)：32～34
24 袁寿其．地源热泵的特点及其在长江流域应用前景．流体机械．2003，32(1)50～53
25 任晓红，孙纯武，胡彦辉．U型埋管换热器三维数值模拟和供热实验研究．重庆建筑大学学报．2004(5)：90-95
26 李新国，王洪军等．不同回填材料对U型垂直埋管换热性能的影响．太阳能学报．2003，(3)：55～59
27 李新国，赵军等．垂直螺旋盘管地源热泵供暖制冷实验研究．太阳能学报．2002，(2)：66～70
28 柳晓雷，王德林，方肇洪．垂直埋管地热换热器的传热模型与计算．建筑热能通风空调．2000
29 李梵，仇中柱，于立强．垂直埋管式土壤源热泵埋管周围土壤温度场的数值模拟．建筑热能通风空调．2000，(4)：1～4
30 崔萍，调乃仁等．地热换热器U型埋管的传热模型及热阻计算．暖通空调．2003，33(6)：33～37
31 王洋，马最良等．单双级混合式热泵供暖系统总制热能效比的研究．暖通空调．2004，34(11)：36～40
32 何雪冰，刘宪英．北方地区应用地源热泵应注意的问题．重庆建筑大学学报．1999(5)：21～26
33 建筑冷热负荷计算方法研究课题组．设计用建筑物冷负荷计算方法．空调技术．1983(1)：25-29
34 陈刚等．住宅建筑空调负荷分析与同时使用系数的计算．流体机械，2003，31(7)：47-49
35 杨卫波，董华等．土壤源热泵的研究与开发．能源技术．2003，36(1)：72～76
36 王勇，付祥钊．地源热泵的套管式地下换热器研究．重庆建筑大学学报．1997(5)：21～26
37 王景刚，马一太等．地源热泵的运行特性模拟研究．工程热物理学报，2003，24(3)：361～366
38 刘宪英，王勇，胡鸣明等．地源热泵地下垂直埋管换热器的实验研究．重庆建筑大学学报．1999，21(5)：21～26
39 殷平．地源热泵在中国的应用．现代空调-空调热泵设计方法专辑．2001
40 刘宪英，胡鸣明等．地源热泵地下埋管换热器传热模型的综述．重庆建筑大学学报．1999，21(4)：106～111
41 于明志，方肇洪．现场测量深层岩土热物性方法．工程热物理学报．2001，25(2)：34～39
42 曾和义，方肇洪．型管地热换热器中介质轴向温度的数学模型．山东建筑工程学院学报．2002，17(1)：7～11
43 王勇，付祥钊等．地源热泵地下管群换热器设计施工问题．建筑热能通风空调．2000
44 吴永华，何学兵，刘宪英等．U型垂直换热器地源热泵夏季供冷侧测试及传热模型．建筑热能通风空调．2003，22(1)：1～4
45 Michel A. Bernier, Ph.D.PE. Ground-Coupled Heat Pump System Simulation. ASHRAE Transactions: Symposia.2001, 107(1): 605～616
46 Charles P. Remund, Ph.D. Borehole Thermal Resistance: Laboratory and Field Studies ASHRAE Transactions: Symposia.1999, 105(1): 439～445
47 Gu Y,O Neal D L.Development of an equivalent diameter expression for vertical U-tubes used in ground-coupled heat pumps[J].ASHRAE Transactions. 1998, 104(2): 347～355
48 Stephen P. Kavanaugh, Ph.D. Marita L. Allan,Ph.D. Testing of Thermally Enhanced Cement Ground Heat Exchanger Gronts. ASHRAE Transactions.1999, 105(1): 446～450
49 C.Yavuzturk A Transient Two-Dimensional Finite Volume Model for the Simulation of Vertical U-Tube Ground Heat Exchangers. ASHRAE Transactions: Research. 1999,105(2): 465～474
50 1998 STANDARD for GROUND SOURCE CLOSED-LOOP HEAT PUMPS.Standard 330, Air-Conditioning & Refrigeration Institute.
51 Diao N R,Cui P, Fang Z H. The thermal resistance in a borehole of geothermal heat exchangers[C]. Proc. 12th International Heat Transfer Conference, 2002
52 Bose J E,Parker J D, McQuiston FC. Design/data manual for closed-loop ground-coupled heat pump system[M].Atlanta:ASHRAE, 1985
53 Kavaragh SP.Ground-source heat pumps[J].ASHRAE journal. 1998, 40(10)
54 Diao N R, Cui P, Fang Z H.The thermal resistance in a borehole of geothermal heat exchangers(C).Proc. 12th International Heat Transfer Conference, 2002
55 S. Kavanaugh. Design consideration for ground and water source heat pumps in southern climates [J].ASHRAE Transactions.1989, 95 (1): 1139～1148
56 S. Kavanaugh. Water Loop Design for Ground coupled Heat Pumps[J]. ASHRAE Journal.1996,, 38(5): 432～447
57 MEI V C.Theoretical heat pump ground coil analysia weth variable ground four-field boundary conditions[J].AICHE Journal. 1986, 32(7): 662～667
58 Michel Parent,P.Eng.Member ASHRAE.A Simplified Tool for Assessing the Feasibility of Ground-Source Heat Pump Projects. ASHRAE Transactions.2001, 107(1): 120～129
59 Bose,J.E.and Parker,J.D.Ground coupled heat pump Research.ASHRAE.Transactions. 89(2)
60 张新宇．土壤源热泵地下换热系统温度场分析．北方工业大学硕士学位论文．2005
61 赵军．竖直埋管型地源热泵地下传热及工程应用热力性能的研究．天津大学博士学位论文．2002
62 李阳春．地源热泵系统地下埋管换热器理论分析及工程应用研究．浙江大学硕士学位论文．2003
63 程国强．地源热泵换热器的分析与设计．浙江大学硕士学位论文．2005
64 吴永华．垂直埋管式土壤源热泵的设计施工方法及夏季供冷测试和传热模型．重庆大学硕士学位论文．2002
65 魏唐棣．地源热泵地下套管式埋管换热器性能研究．重庆大学博士学位论文．2001
66 刘晓东．地下垂直热交换器建模原理与方法．吉林大学硕士学位论文．2002
67 高青．地温规律及其可恢复特性增强传热研究．制冷学报．2003，22(3)：38～41
68 施志刚．土壤源热泵垂直埋管周围温度场数值模拟．建筑热能通风空调．2002，(5)：9～11
69 庄迎春．直埋闭式地源热泵回填土性能研究．太阳能学报．2004，25(2)：216～220
70 曲云霞．地源热泵地下环路的设计方法．流体机械．2002，30(9)：50～54
71 范爱武，刘伟等．地源热泵系统中竖井深度的确定方法．2004，25(5)：695～698
72 李明．地源热泵地能高效利用及其传热模拟计算分析．吉林大学硕士学位论文．2003
73 龚宇烈．U型管桩埋换热器传热理论模拟与实验研究．天津大学硕士论文．2003
74 赵军，张春雷等．U型埋管地源热泵系统试验研究．华北电力大学学报．2004，31(6)：65～67
75 张林华，曲云霞等．闭环地源热泵系统设计研究．西安建筑科技大学学报．2004，36(1)：61～65
2 徐邦裕，陆亚俊，马最良．热泵．第1版．北京：中国建筑工业出版社，1988
3 徐伟等译．地源热泵工程技术指南．第1版．北京：中国建筑工业出版社，2001
4 陶文铨．数值传热学．西安：西安交通大学出版社，2001
5 陆金甫，关冶．偏微分方程数值解法．第2版．北京：清华大学出版社，2004
6 梁昆淼．数学物理方法[M]．第1版．北京：高等教育出版社，1998
7 龙惟定．建筑节能与建筑能效管理．第1版．北京：中国建筑工业出版社，2005
8 郭宽良．计算传热学．第1版．合肥：中国科学技术大学出版社，1998
9 龚毅．泵与风机．第一版．北京：海洋出版社，1998
10 陆亚俊，马最良．暖通空调．第1版．北京：中国建筑工业出版社，2002
11 建筑工程常用数据系列手册编写组．暖通空调常用数据手册．第1版．北京：中国建筑工业出版社，1997
12 陆耀庆．实用供热空调设计手册．第1版．北京：中国建筑工业出版社，1993
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14 地下建筑暖通空调设计手册编写组．地下建筑暖通空调设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1983
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27 李新国，赵军等．垂直螺旋盘管地源热泵供暖制冷实验研究．太阳能学报．2002，(2)：66～70
28 柳晓雷，王德林，方肇洪．垂直埋管地热换热器的传热模型与计算．建筑热能通风空调．2000
29 李梵，仇中柱，于立强．垂直埋管式土壤源热泵埋管周围土壤温度场的数值模拟．建筑热能通风空调．2000，(4)：1～4
30 崔萍，调乃仁等．地热换热器U型埋管的传热模型及热阻计算．暖通空调．2003，33(6)：33～37
31 王洋，马最良等．单双级混合式热泵供暖系统总制热能效比的研究．暖通空调．2004，34(11)：36～40
32 何雪冰，刘宪英．北方地区应用地源热泵应注意的问题．重庆建筑大学学报．1999(5)：21～26
33 建筑冷热负荷计算方法研究课题组．设计用建筑物冷负荷计算方法．空调技术．1983(1)：25-29
34 陈刚等．住宅建筑空调负荷分析与同时使用系数的计算．流体机械，2003，31(7)：47-49
35 杨卫波，董华等．土壤源热泵的研究与开发．能源技术．2003，36(1)：72～76
36 王勇，付祥钊．地源热泵的套管式地下换热器研究．重庆建筑大学学报．1997(5)：21～26
37 王景刚，马一太等．地源热泵的运行特性模拟研究．工程热物理学报，2003，24(3)：361～366
38 刘宪英，王勇，胡鸣明等．地源热泵地下垂直埋管换热器的实验研究．重庆建筑大学学报．1999，21(5)：21～26
39 殷平．地源热泵在中国的应用．现代空调-空调热泵设计方法专辑．2001
40 刘宪英，胡鸣明等．地源热泵地下埋管换热器传热模型的综述．重庆建筑大学学报．1999，21(4)：106～111
41 于明志，方肇洪．现场测量深层岩土热物性方法．工程热物理学报．2001，25(2)：34～39
42 曾和义，方肇洪．型管地热换热器中介质轴向温度的数学模型．山东建筑工程学院学报．2002，17(1)：7～11
43 王勇，付祥钊等．地源热泵地下管群换热器设计施工问题．建筑热能通风空调．2000
44 吴永华，何学兵，刘宪英等．U型垂直换热器地源热泵夏季供冷侧测试及传热模型．建筑热能通风空调．2003，22(1)：1～4
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50 1998 STANDARD for GROUND SOURCE CLOSED-LOOP HEAT PUMPS.Standard 330, Air-Conditioning & Refrigeration Institute.
51 Diao N R,Cui P, Fang Z H. The thermal resistance in a borehole of geothermal heat exchangers[C]. Proc. 12th International Heat Transfer Conference, 2002
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53 Kavaragh SP.Ground-source heat pumps[J].ASHRAE journal. 1998, 40(10)
54 Diao N R, Cui P, Fang Z H.The thermal resistance in a borehole of geothermal heat exchangers(C).Proc. 12th International Heat Transfer Conference, 2002
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56 S. Kavanaugh. Water Loop Design for Ground coupled Heat Pumps[J]. ASHRAE Journal.1996,, 38(5): 432～447
57 MEI V C.Theoretical heat pump ground coil analysia weth variable ground four-field boundary conditions[J].AICHE Journal. 1986, 32(7): 662～667
58 Michel Parent,P.Eng.Member ASHRAE.A Simplified Tool for Assessing the Feasibility of Ground-Source Heat Pump Projects. ASHRAE Transactions.2001, 107(1): 120～129
59 Bose,J.E.and Parker,J.D.Ground coupled heat pump Research.ASHRAE.Transactions. 89(2)
60 张新宇．土壤源热泵地下换热系统温度场分析．北方工业大学硕士学位论文．2005
61 赵军．竖直埋管型地源热泵地下传热及工程应用热力性能的研究．天津大学博士学位论文．2002
62 李阳春．地源热泵系统地下埋管换热器理论分析及工程应用研究．浙江大学硕士学位论文．2003
63 程国强．地源热泵换热器的分析与设计．浙江大学硕士学位论文．2005
64 吴永华．垂直埋管式土壤源热泵的设计施工方法及夏季供冷测试和传热模型．重庆大学硕士学位论文．2002
65 魏唐棣．地源热泵地下套管式埋管换热器性能研究．重庆大学博士学位论文．2001
66 刘晓东．地下垂直热交换器建模原理与方法．吉林大学硕士学位论文．2002
67 高青．地温规律及其可恢复特性增强传热研究．制冷学报．2003，22(3)：38～41
68 施志刚．土壤源热泵垂直埋管周围温度场数值模拟．建筑热能通风空调．2002，(5)：9～11
69 庄迎春．直埋闭式地源热泵回填土性能研究．太阳能学报．2004，25(2)：216～220
70 曲云霞．地源热泵地下环路的设计方法．流体机械．2002，30(9)：50～54
71 范爱武，刘伟等．地源热泵系统中竖井深度的确定方法．2004，25(5)：695～698
72 李明．地源热泵地能高效利用及其传热模拟计算分析．吉林大学硕士学位论文．2003
73 龚宇烈．U型管桩埋换热器传热理论模拟与实验研究．天津大学硕士论文．2003
74 赵军，张春雷等．U型埋管地源热泵系统试验研究．华北电力大学学报．2004，31(6)：65～67
75 张林华，曲云霞等．闭环地源热泵系统设计研究．西安建筑科技大学学报．2004，36(1)：61～65