VIP地源热泵空调系统的优化设计与试验研究.pdf
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山东建筑大学硕士学位论文地源热泵空调系统的优化设计与试验研究姓名:
赵强申请学位级别:
硕士专业:
供热、供燃气、通风及空调工程指导教师:
方肇洪20080401山东建筑大学硕士学位论文摘要地源热泵空调系统利用大地中的低品位热能来实现对建筑物的供热供冷,具有节能与环保的优点,在国内备受关注,有诸多政策在推动地源热泵的实施和发展。
地埋管换热器是其设计中的关键部分,地埋管换热器的设计优劣直接关系到地源热泵空调系统经济性和运行可靠性。
本文首先基于地埋管换热器设计软件“地热之星,分析了地埋管换热器工程上常用的单U25、单U32、双U25、双U32四种埋管型式钻孔设计长度的设计影响因素,研究结果表明:
钻孔设计长度随回填材料导热系数、岩土导热系数和体积比热、钻孔间距、钻孔半径和U型管间距的减小而增加;当分别以上述设计因素为变量时,四种埋管型式的钻孔设计长度有一致的趋势:
单U25单U32双U25双U32。
其次,建立了基于价值工程分析方法的地埋管换热器的经济技术分析模型,以合理设计(理想工况)、固定钻孔深度、和固定钻孔个数三个角度分析计算了单U25、单U32管、双U25管和双U32管四种地埋管方案的价值指数,并指出:
单U型式埋管随钻孔费用的增加其价值系数变小,双U型式埋管反之;钻孔费用和水泵运行费用是影响价值系数的重要因素;双U管通常适合在钻孔费用高、埋管面积紧张的场合采用;埋管型式的价值系数同钻孔设计深度有较大的联系,工程上人为确定的钻孔深度影响到地埋管换热系统的技术经济价值:
由于其较少的钻孔设计长度和较低的运行费用,双U25型式埋管在各种工况下价值系数最高,是最佳方案;单U25型式埋管在各种工况下价值系数最低,是最劣方案。
再次,讨论了地源热泵混合系统的型式、设计方法和控制策略,提出基于遗传算法的以初投资和运行费用的双目标地源热泵混合优化设计方法。
最后,使用自主开发的岩土热物性测试仪为国内数个城市地源热泵工程进行了现场岩土热物性测试,并取得了当地的岩土导热系数和相应埋管条件下的钻孔内热阻数值,为地源热泵推广应用提供了基础性数据。
关键词:
地埋管换热器,价值工程,地源热泵混合系统,岩土热物性测试山东建筑大学硕士学位论文DesignOptimizationandExperimentStudyofGround-SourceHeatPumpSystemsZhaoQiang(HeatingVentilatingandAir-ConditioningEngineering)DirectedbyProfFangZhaohongABSTRACTGromldSourceHeatPump(GSI-n)systemshavetheadvantagesofenergysavingandenvironment-friendlinessbyutilizingthevastgeothermalenergystoredintheearthforheatingandairconditioningWithmoreandmoreattention,thegovernmentmakessomepolicesforspreadinggroundsourceheatpumpsThegeothermalheatexchangerisakeytechnology,anditsqualityinfluencestheeconomicsandreliabilityofthe毋oulldsourceheatpumpsystemsFirstly,basedonthegroundsourceheatpumpdesignsoftware“GeoStar,thethesisanalyzestheinfluencefactorsinsizingofboreholes、析tllfourstylesofsingleanddoubleU-tubesThestudyindicatesthatthesizeofboreholesisdecreasing、,itllincreaseinthermalconductivityofbackfills,groundthermalconductivity,boreseparationdistance,boreradius,andU-tubespace晰也thosefactorschangingthesizesofboreholesofthefourpipestylesfollowtheidenticaltrend,thatissingle25single32double25double32;Secondly,aneconomicandtechnicalanalysismodelofthegeothermalheatexchangersiSbuildupbasedonthevalueengineeringIndependentlyonthreeconditionsoftheidealdesign,thefaxedboreholedepthandthefaxedboreholequantities,thethesishascomputedvaluecoefficientsofthefourburiedpipestyles,andpointedoutthatthevaluecoefficientsofthesingleU-tubeisdecreasing、析t11thedrillingcostincreasingandonthecontrarytothedoubleU-tubeconfigurationsDrillingcostandcirculatingcostaretwoimportantfactorsinfluencingthevaluecoefficientsUsuallythedoubleUtubeissuitableforthosedistrictswherethedrillingcostishi曲,orinstallationgroundislimitedThevaluecoefficientsofU-tubepipestylesarelinked、析tlltheboredesigndepthHastilyascertainedboreholedepthinfluencestheeconomicsandtechnologyOwingtosmallerboreholedesignlengthandlowercirculatingcost,doubleDe25U-tubepipestylehasthehighestvaluecoefficient,andisthebestscheme;onthecontrast,singleDe25U-bendpipestylehasthelowestvaluecoefficient,andistheworstschemeThirdly,thethesisdiscussessystemstyles,techniquesandcontrolstrategiesofhybridIII-山东建筑大学硕士学位论文GSHPsystems,putsforwardalloptimizingdesignmethodwithfirstcostandcirculatingcost嬲computingaimswhichbasedontheGeneticAlgorithmsLastly,withself-developedtestequipmentofgroundthermalconductivity,in-sitetemperatureresponsetestsweremadeinsomecities,andtheirgroundthermalconductivityandthermalresistancesinboreholesweredeterminedcorrespondinglyThestudymsultshaveprovidedfoundationaldataforspreadinggroundsourceheatpumpsystemsKeyWords:
Geothermalheatexchangers,valueengineering,hybridground。
sourceheatpump,Insitumeasurementofgroundthermalconductivity原创性声明本人郑重声明:
所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
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山东建筑大学硕士学位论文11引言第1章绪论我国是一个能源储量不足的国家。
储量最多的煤炭,也只位居世界第三位,排在美国、俄罗斯之后;而石油、天然气的人均储量分别只占世界平均值的11和4。
我国也是一个能源消耗大国,一次能源消耗总量占世界第二位。
我国的单位GDP能耗相对很高,以单位GDP计算的能源消耗为世界平均值的33倍,美国的35倍,德国的56倍,日本的72倍。
建设资源节约型社会,实现能源可持续发展已经称为我国的一项基本国策。
调整产业结构,限制发展高能耗产业,提高能源利用效率,大力发展可再生能源是我国能源政策的重点。
我国建筑能耗约占总能耗的14左右,并将随着人民生活水平的提高逐渐增加到13以上,在公共建筑的全年能耗中,大约有50,-60消耗于空调制冷和采暖系统【11。
和其他行业一样,暖通空调行业的节能潜力很大,节能力度有待提高。
现今我国关于利用可再生能源的暖通空调系统的研究明显增加,尤其是地源热泵空调系统,无论在技术上还是理论上都取得了不少成果。
地源热泵空调系统良好的节能效果,使其在将来必定有更加广泛的应用前景。
12地源热泵空调系统简介地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源,由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热空调系统。
根据地热能交换系统形式的不同,地源热泵系统又分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统【2】o地源热泵系统利用浅层地壳中储存的热能资源对建筑进行供热与空调,由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度,远高于冬季的室外温度又低于夏季的室外温度,因此地源热泵即可克服空气源热泵的技术障碍,又可大大提高热泵效率【31。
此外冬季从地下取热为建筑物供暖的同时使得大地中的温度降低,蓄存了冷量,可供夏季使用;夏季向地下放热,使大地蓄热以供冬季使用。
这样在地源热泵系统中大地起到了蓄能的作用,进一步提高了空调系统全年的能源利用效率,这不仅使冬季供热效率提山东建筑大学硕士学位论文高,也使夏季空调的电耗大大降低。
因此地源热泵技术具有良好的节能与环境效益,因此被称为一项以节能与环保为特征的二十一世纪的新技术。
CommercialApplications:
WelistogroundwaterResidentialApplications:
图11各种型式的地源热泵地下水源热泵(GWHP)是以地下水为热源的热泵系统,它抽取地下水在热泵中放出热量后再回灌到地下水层。
在上述几种地源热泵系统中地下水源热泵的效率最高。
地下水源热泵系统最早应用于1948年美国俄勒冈州波特兰市联邦大厦(CommonwealthBuilding),该系统从设计开始就得到了广泛的关注。
在其后的几十年中,地下水源热泵系统得到了最为广泛的应用【4叫。
自20世纪90年代起,地下水源热泵系统在我国也得到了广泛发展,但地下水源热泵系统的应用也受到许多条件的限制。
首先,这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。
按常规计算,10,000m2的空调面积需要的地山东建筑大学硕士学位论文下水量约为60-100m3hr。
地下水源热泵系统的经济性还与地下水层的深度有很大的关系。
如果地下水位较低,不仅成井的费用增加,而且运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。
此外,这种系统最为典型的是回灌井失效问题。
虽然理论上抽取的地下水将回灌到地下水层,但目前国内地下水回灌技术还不成熟,在很多地质条件下回灌的速度大大低于抽水的速度,从地下抽出来的水经过换热器后很难再被全部回灌到含水层内,造成宝贵的地下水资源流失。
水资源是当前最紧缺、最宝贵的资源,任何对水资源的浪费或污染都是绝对不可允许的。
因此发达国家对推广应用这种系统已采取非常慎重的态度,我国很多城市也出台了限制空调用水井的政策。
地表水地源热泵是以池塘、湖泊或河溪中的地表水作为低温热源的热泵空调系统。
一般来说,只要地表水体冬季不结冰,均可作为热泵系统的低温热源使用。
我国长江、黄河流域及沿海地区有丰富的地表水,用其作为热泵的低品位热源,可以获得较好的经济效果。
在北方地区,如果自然水体的容量很大,冬季水体表面结冰后水仍可保持4左右的温度,也可以考虑作为热泵的热源。
相对于室外空气而言,地表水可以算作高品位热源,它不存在结霜的问题,运行也很稳定。
从工程方面讲,对地表水的利用在取水结构和处理方面要花费一定的投资,如清除浮游垃圾及海洋生物,防止污泥进入,以免影响换热器的换热效率;同时要采用防腐蚀的管材和换热器材料避免地表水对普通金属的腐蚀。
由于连续取热降温或升温对生态环境有无影响,也是人们关注的问题。
地埋管地源热泵(GroundCoupledHeMPumps,GCHP)以地下土壤作为低温热源。
它通过传热介质(一般为水或添加防冻剂的水溶液)流进埋设在岩土体中的管子与大地(土壤、地层、地下水)进行热交换。
表格11冻土层深度I城市漠河沈阳大连北京济南上海最大冻土层深度(era)4001489385448地下岩土体是热泵的良好热源。
由于地层的隔热作用,地下岩土层温度的变化相对地表大气的温度变化按照正弦波规律变化,并有一定的延迟,随岩土层的深度加深,其波幅也响应越小。
当达到一定深度时候,岩土层的温度基本保持常温。
这个温度一般比当地年平均温度大l2,通常叫它远端岩土温度,这在竖直地埋管地源热泵的设计中也是一个重要的参数。
只要将管道埋于建筑当地冻土层以下,管道中的换热介质(水等)就可以充当热泵系统的低位热源。
表格11描述了我国个别城市的冻土层深度,可以看到仅在我国最北部漠河附件的最大冻土层深度较大,从沈阳往南各城市的的最大冻土层山东建筑大学硕士学位论文深度均单U32双U25双U32。
在本设计方案中,在10年的运行期中循环液冬季的最低温度为3,可以不加防冻液运行。
35本章小结地埋管换热器的合理设计是保证地源热泵供热空调系统的技术性能和经济性的关键,它的设计方法受到广泛的关注。
地埋管换热器的传热涉及的空间尺度和时间跨度都很大,影响因素错综复杂,个别参数的改变可能导致地埋管换热器换热能力的变化。
从实验或从实际经验得到的“延米孔深换热器”的经验性指标通常不具备普遍的指导意义。
根据地埋管换热器的传热模型开发的设计和模拟计算软件,由于其人性化特点可以在很大程度上帮助工程技术人员解决这一难题。
本章以西安某地埋管工程为计算背景,基于单U25、单U32、双U25和双U32四种埋管型式分别讨论了建筑冷热负荷、钻孔回填材料、钻孔间距、钻孔半径和U型管间距及循环液类型对钻孔设计长度的影响:
(1)热泵机组的能效比(制热性能系数和制冷性能系数)是评价热泵机组的重要参数,在地源热泵工程中应采用高性能的热泵。
(2)在四种埋管型式下,钻孔设计长度随钻孔回材料导热系数、岩土导热系数和体积比热、钻孔间距、钻孔半径和U型管间距的增加而增加;(3)在地埋管换热器设计中,当分别以回填材料导热系数、岩土导热系数、体积比热、钻孔间距、钻孔孔径为变量时,四种埋管型式的钻孔设计长度有一致的趋势:
单U25单U32双U25双U32,即四种埋管的传热性能为双U32双U25单U32单U25;(4)因其对热泵换热性能和水泵输送功耗的影响,在实际工程应尽量避免使用防冻剂。
山东建筑大学硕士学位论文41引言第4章基于价值工程的单双U选型分析地源热泵空调系统具有节能与环保的优点,在欧美国家已得到广泛的应用,技术日趋成熟。
目前,我国地源热泵技术处于一种理论研究与工程应用的热潮中,政府有诸多政策推动这种绿色空调系统的工程应用,但是由于缺乏比较完备的设计规范、设计资料及设计工具,即使是专业的暖通空调设计师,对地热换热器的设计也是一知半解,难以下手,这在一定程度上影响了地源热泵技术的推广应用。
另外,地热换热器的初投资较高,也是阻碍地源热泵发展的主要原因之一。
因此,从经济技术角度对地热换热器进行优化设计,在满足既定负荷要求的情况下,减少系统初投资也是推广地源热泵技术的关键技术之一【521。
闭式环路竖直埋管地热换热器换热工况稳定,占地面积小,适合在地少人多的我国采用。
竖直埋管地热换热器有两种主要形式。
一种主导形式是在钻孔中敷设一组U型PE管,这是单U型地热换热器,如图31a所示;一种主导形式是在在钻孔中敷设两组U型PE管,这是双U型地热换热器,如图31b所示。
通常竖直埋管采用两种管径的HDPE专管材:
西25和中32。
通常地埋管换热器的传热性能有钻孔热阻来表征,工程上在处理单个钻孔中U型管与外部地层传热问题时,以钻孔壁分为两个部分来处理,一是钻孔内部的传热,二是由钻孔壁面至外部地层之间的换热。
这些求解钻孔热阻的传热模型是复杂的数学公式,国内学者分别给出了有限长线热源模型、钻孔内准三维模型和多个钻孔温度响应求解的解析解,并且发展了关于地埋管换热器的专业设计软件GeoStar,这给竖直埋管换热器的技术经济分析提供了必要的工具。
对于多个钻孔的地埋管换热器,钻孔内部的热阻是相同的,其钻孔外的热阻可以采用线性叠加的原理进行分析处理。
文献利用上述提到的解析解分别求解了双U管和单U管的钻孔内热刚40,521,其结果可见,由于双u型埋管地热换热器增加了钻孔内的换热面积,使得钻孔内热阻较单U型埋管地热换热器的要低,从而对于既定的建筑负荷,可以用较少的钻孔数量满足要求。
不过,采用双U
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