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地源热泵的12大优势由于地源热泵系统采取了特殊的换热方式，使它具有普通中央空调和锅炉不可比拟的优点：一、高效节能与锅炉（电、燃料）供热系统相比，土--气/水型地源热泵系统的转换效率最高可达4.7 。
而锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能转换为热量供用户使用，因此它要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2以上的能量，运行费用为各种采暖设备的30-70%。
由于土壤的温度全年稳定在10℃—20℃之间，其制冷、制热系数可达3.5—4.7，与传统的空气源热泵（家用窗式和分体式空调、中央式风冷热泵）相比，要高出40%以上，其运行费用仅为普通中央空调的50—60%。
夏季高温差的散热和冬季低温差的取热，使得土--气型地源热泵系统换热效率很高。
因此在产生同样热量或冷量时，只需小功率的压缩机就可实现，从而达到节能的目的，其耗电量仅为普通中央空调与锅炉系统的40%—60%。
二、绿色环保土--气/水型地源热泵系统在冬季供暖时，不需要锅炉，无废气、废渣、废水的排放，可大幅度地降低温室气体的排放，能够保护环境，是一种理想的绿色技术。
三、分户计费实现机组独立计费，分户计表，方便业主对整个系统的管理。
四、使用寿命长家用空调设计寿命8年，燃气锅炉为10年；土--气型地源热泵机组为50年，水循环和风管系统60年以上，地耦管路系统为70年，它比所有各种空调系统和采暖设备的寿命都要长。
五、节省建筑空间控制设备简单土--气/水型地源热泵系统采用将地源热泵机组分散安装于各处所（居室、会所、办公室等）的方式，中央控制仅需选择水路控制，除去了一般中央空调集中控制所有参量的复杂环节，从而降低控制成本。
在各分散安装单元（居室、会所、办公室）可根据用户要求设不同的体积很小的终端控制器，实现从最简单（起停、供暖、制冷三档）到复杂的可编程智能控制方式。
六、系统可靠性强每台机组可独立供冷或供热，个别机组故障不影响整个系统的运行。
天津市科技支撑计划项目（07ZCKFSF00400） 作者简介：王恩宇，（1970- ），男，副教授，主要从事燃烧技术、可再生能源利用及建筑节能技术等。
太阳能跨季节储热建筑供热系统及土壤储热实验分析王恩宇 齐承英 杨华 张慧川 吕延松（河北工业大学能源与环境工程学院，天津，300401）摘 要 根据天津城郊别墅类建筑的冷热负荷特点，设计建立了太阳能跨季节储热建筑供热系统。
该系统采用土壤蓄热实现夏季太阳能的跨季节储存，冬季采用太阳能热水或利用热泵提取土壤蓄热进行建筑供热，实现了太阳能的跨季节储热与热泵系统联合运行。
短期的实验数据表明，在36天时间内，储热区土壤温度平均升高了1.3℃，采用垂直埋管换热土壤蓄热系统实现太阳能的跨季节储存是可行的。
长期储热效果有待进一步研究。
太阳能跨季节储存及热泵联合供热系统的设计应注意各子系统的合理匹配，以提高系统综合能效。
关键词 太阳能 跨季节储热 地源热泵 建筑供热A SOLAR ENERGY SYSTEM WITH SEASONAL STORAGE FOR BULIDING HEATING AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF SOIL HEAT STORAGEWang Enyu Qi Chengying Yang Hua Zhang Huichuan Lü Yansong(School of Energy and Environment Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin, 300401)Abstract A Solar heating system with seasonal storage is designed and built for the villa buildings in Tianjin suburb. The solar energy was stored in the soil in summer, and was taken out by the ground-source heat bump for building heating in winter. The solar energy collected in winter was used directly for heating. The test data in a short-term experiment indicated that the soil temperature in the heat storage area increased averagely 1.3 centigrade degree after 36 days. The experimental results confirmed that using a vertical duct storage system for the seasonal solar energy storage is viable.. Long-term effects of the solar energy storage system will be needed further study. To design the solar energy seasonal storage and heat bump combined heating system, the reasonable subsystem design should be paid more attention to enhance energy efficiency. Keywords Solar energy Seasonal heat storage Ground-source heat bump Building Heating1．绪论在能源与环境问题日益突出的今天，地源热泵作为清洁、高效的供热空调系统正受到越来越多的关注，成为建筑空调领域的热点。
地源热泵系统岩土热响应试验地源热泵系统是一种利用地下土壤或岩石储存的热量来进行空调和供暖的节能系统。
与传统空调系统相比，地源热泵系统具有更高的能效和更低的运行成本，因此在近年来受到了越来越多的关注和应用。
为了更好地了解和优化地源热泵系统的性能，进行岩土热响应试验是非常必要的。
岩土热响应试验是指通过实地采样和试验室测试的方法，对地下土壤或岩石中的热量传输特性进行研究，以评估地源热泵系统在不同地质条件下的性能表现。
通过岩土热响应试验，可以获取到地下岩土的热传导系数、储热特性、热扩散系数等参数，为地源热泵系统的设计和运行提供重要的参考依据。
岩土热响应试验通常分为野外实地采样和室内试验两个阶段。
在野外实地采样阶段，研究人员会选择地理条件较为典型的地区，进行地下岩土的取样和数据采集工作。
通过对不同深度和不同类型的岩土进行取样和测试，可以获取大量的原始数据，为后续的室内试验提供样本和参考。
在室内试验阶段，研究人员会将野外采集到的岩土样本带回实验室，并进行一系列的物理试验和分析。
首先是对岩土样本的物理性质进行分析，包括密度、孔隙结构、水分含量等方面的测试。
其次是对岩土样本的热传导特性进行测试，通过测定不同温度下的导热系数和热扩散系数，来评估岩土样本的储热能力和热传输特性。
最后还会对岩土样本的温度-时间响应曲线进行测定，来评估岩土在长期稳定状态下的温度变化规律。
地源热泵系统岩土热响应试验在国内外已经得到了广泛的应用和推广。
通过对地下岩土热传导特性的深入研究，不仅可以为地源热泵系统的设计和运行提供科学依据，还可以为地下岩土的热资源利用和环境保护提供技术支持。
在未来的研究中，可以进一步加强对岩土热响应试验方法的改进和创新，为地源热泵系统的可持续发展做出更大的贡献。
地埋管换热器的传热模型的进展与分析刘靓侃;李祥立;端木琳【摘要】土壤源热泵研究的核心问题之一就是对于地埋管换热器的传热模型的研究.模型的建立和选择对土壤源热泵和埋管的设计影响重大.本文回顾了国内外不同的地埋管换热器的传热模型及其改进与发展,重点叙述了解析模型的改进,发现目前研究中欠缺对于管群间传热影响的研究,如不同埋管形式、埋管间距之间的热干扰及热堆积等的研究.同时关于土壤特性对于传热的影响的研究不够深入.本文还指出了对于地埋管传热模型的下一步研究重点.【期刊名称】《建筑热能通风空调》【年(卷),期】2016(035)001【总页数】5页(P35-39)【关键词】土壤源热泵;地埋管换热器;传热模型【作者】刘靓侃;李祥立;端木琳【作者单位】大连理工大学建设工程学部;大连理工大学建设工程学部;大连理工大学建设工程学部【正文语种】中文土壤源热泵系统经过数十年的发展应用，目前已得到广泛的应用，尤其在我国华北和东北南部地区。
与传统空调系统相比，土壤源热泵系统增加了一个地埋管换热系统，因而在设计上有很大的区别。
而地埋管换热器的传热机理和模型的研究对于土壤源热泵的设计计算非常关键，同时也影响着土壤源热泵的推广应用。
地埋管换热器的传热过程为流体介质与土壤之间的换热过程，其物理模型十分复杂，涉及的影响因素也很多，包括钻孔孔径、回填材料、土壤热物性、地下水流动的影响等。
目前学术上研究及应用较多的是针对竖直U型地埋管的传热模型，由于物理模型的复杂性，其数学模型的建立无不进行相应的简化，使计算简便，同时也降低了模型精度。
这些传热模型大致可以分为三类[1]：第一类是利用解析法推导的数学模型，此类模型计算方法简单，且优于纯经验估计的方法，因此目前工程中多利用此类模型，例如Ingersoll模型[2]、IGSHPA模型[3]等；第二类是采用数值解法的传热模型，随着计算机技术的发展以及各种有限元软件的发展，目前成为传热过程中参数分析的重要工具，但是纯数值解法依旧需要耗费大量计算时间，还不适用于工程模拟，经典的数值模型有NWWA模型[4]、Muraya模型[5]等；第三类是在局部利用解析法求解，部分求解采用数值解法，因而在精度和计算速度上都有不错的表现，如Hellstrom的DST模型[6]、Eskilson模型[7]等。
《土壤高温储热条件下热湿迁移规律的实验及模拟研究》篇一摘要：本文通过实验和模拟的方法，对土壤在高温储热条件下的热湿迁移规律进行了深入研究。
实验部分详细记录了不同温度梯度下的土壤热湿迁移过程，并利用数值模拟技术对实验结果进行了验证和补充。
本文旨在揭示土壤在高温储热过程中的热湿迁移机制，为地源热泵、土壤源热回收等工程提供理论依据。
一、引言随着全球能源需求的增长和环境保护意识的提高，地热能作为一种清洁可再生能源，受到了广泛关注。
土壤作为地热能的重要载体，其高温储热条件下的热湿迁移规律对于地源热泵、土壤源热回收等工程具有重要意义。
本文通过实验和模拟相结合的方法，研究土壤在高温储热条件下的热湿迁移规律，以期为相关工程提供理论支持。
二、实验方法与材料1. 实验材料：实验所用土壤取自当地典型区域，确保土壤类型与实际工程中的土壤相似。
同时，为了更好地模拟土壤中热湿迁移的实际情况，实验还采用了温度传感器、湿度计等设备。
2. 实验方法：实验采用恒温加热装置对土壤进行加热，并设置不同的温度梯度。
在加热过程中，通过传感器实时监测土壤的温度和湿度变化，记录数据并进行分析。
同时，为了验证实验结果的准确性，还进行了数值模拟研究。
三、实验过程与结果分析1. 实验过程：在实验过程中，首先将土壤样品放置在恒温加热装置中，设置不同的温度梯度（如30℃、40℃、50℃等）。
然后，通过传感器实时监测土壤的温度和湿度变化，记录数据。
同时，为了更直观地观察热湿迁移过程，还采用了红外测温仪和显微镜进行观察。
2. 结果分析：根据实验数据，我们可以发现随着温度的升高，土壤中的水分逐渐向表面迁移。
这表明在高温条件下，土壤中的水分受到热力作用而发生迁移。
此外，我们还发现不同类型土壤的热湿迁移特性存在差异，这可能与土壤的成分、结构等因素有关。
四、数值模拟研究为了进一步验证实验结果的准确性，我们采用了数值模拟技术对土壤高温储热条件下的热湿迁移过程进行了模拟。
地埋管地源热泵系统土壤源热泵为保证地下换热器系统的长期有效运行要求地下换热器系统一年中的取热和排热相平衡。
对冷、热负荷的平衡采取了以下措施解决：根据11页计算热泵机组全年从土壤吸热量11808MW,根据小区实际特点6.1利用毛细管回热在浦东雅典二期工程室外墙面和楼顶铺设毛细管网，分集水器40个，由4.3*0.8mmPP聚乙烯毛细管组成间距10mm的网栅，用乳胶将10mm边角保温板沿墙粘贴，粘贴平整，搭接严密, 在找平层上铺设保温层2cm厚聚苯保温板，在保温层上铺设铝箔纸, 在铝箔纸上铺设一层Ф2mm钢丝网，间距100×100mm，然后将毛细管固定在钢丝网上，填充C15以上砼，并于砼中掺入适量防龟裂剂。
浦东雅典小区二期计算铺设毛细管网总面积约为5500㎡，依照太原市年太阳辐射总量为5442.8兆焦耳/平方米~5652.18兆焦耳/平方米计算，年采集热能约为8288MW5500×5442.8≈29935400×106（焦耳）≈29935400×106÷4.2≈7127476×106（卡）≈7127476000（大卡）≈7127476000÷860≈8287763（千瓦）≈8288（MW）×0.4≈3315(MW)按照浦东雅典二期工程采暖期供暖150天，每天24小时计算，总面积约145025㎡，浦东雅典二期工程采暖期需要11808MW，太阳辐射年采集热能约为8288MW，由于年采集热能有限.又不能达到100%利用，我们按照40%的储存量计算是3315MW，由于夏季天气炎热，我们可以采用井水直通方式提取热能储存到地下，这样不紧大大的提高了能量的采集，同时也拟补了部分回热问题，而且夏季使用毛细管采集能量不但可以为冬季采暖储存能量，由于采集能量的过程中使得周围空气温度变低这样也使得室内空气变的凉爽清新。
6.2利用观赏池回热我们利用夏季地面人工观赏池提取热能，在小区内我们还设计了几处总面积约为1000㎡深1m的观赏池，在七、八、九月份也可以进行换热，我们选择3台水泵，扬程32m，观赏池内铺设PE-100聚乙烯管，管径DN50，间距1.25m，观赏池内主管线与地埋管主管线对接，进行换热，并使用温度控制器，电动阀门进行监控，据我们统计在夏季每天12小时换热以每100吨水（温差5度）采集500KW的热量计算每天循环3次：1000×3×90×500÷100＝1350MW整个夏天（按90天计算）可以采集1350MW的热能。
土壤源热泵系统 “热堆积”问题解决策略综述 秦永星 1 赵小利 1 杨超凡 2 陈九法 21中铁十二局集团建筑安装工程有限公司2东南大学能源与环境学院摘 要： 介绍了土壤源热泵 “热堆积” 问题的机理， 将解决 “热堆积” 问题的策略总结为三种。
第一种是根据实际工 况采取适当的控制策略， 包括基于温度的控制策略、 运行时间控制策略。
第二种是从地源侧系统的角度优化孔井 参数、 提高回填材料热物性。
第三种是构建复合地源热泵系统， 增加辅助散热系统。
同时分析比较了不同策略的优 劣势、 使用条件， 为工程上土壤源热泵系统的设计提供参考。
关键词： 土壤源热泵热堆积控制策略系统优化综述Review of “Heat Accumulation ”Solving Strategyfor Groundcoupled Heat Pump SystemQIN Yongxing 1 ,ZHAO Xiaoli 1 ,YANG Chaofan 2 ,CHEN Jiufa21Building and Installing Engineer Co.,Ltd.of China Railway 12th Bureau Group2School of Energy and Environment,Southeast UniversityAbstract: After introducing the mechanism of “heat accumulation ”problem of groundcoupled heat pump,this paper summarizes three strategies to solve “heat accumulation ”problem.The first is to adopt appropriate control strategies according to operating conditions,including temperaturebased control strategy and running time control strategy.The second is to optimize borehole parameters and improve the thermal properties of backfill materials from the perspective of ground source side system.The third is to build a compound groundcoupled heat pump system and add an auxiliary heat dissipation system.This paper analyzes and compares the advantages and disadvantages of different strategies,and provides reference for the design of groundcoupled heat pump system in engineering.Keywords:groundcoupled heat pump ， heat accumulation,control strategy,system optimization收稿日期： 202015作者简介： 秦永星 （1983~）， 男， 本科； 山西省太原市西矿街 1301号 （030024）； Email:****************0 引言在我国大力倡导 “节能和环保” 的趋势下， 暖通空 调领域的节能改造成为了节能减排的重点内容。
地热储能模型一、地热储能原理地球内部的热能主要来自地球核心的高温熔融岩浆，经过地壳传导传递到地表。
地热能是一种清洁、环保的可再生能源，它具有稳定的能量输出特点，且不受气候影响。
地热储能的原理是利用地下深层储热岩体中的热能，将其储存起来，当需要时释放出来供电使用。
在地热储能系统中，通常会使用地热泵将地下的热能抽取到地面，然后通过热储罐进行储存，最后通过蒸汽发电厂将热能转化为电能。
二、地热储能模型地热储能模型是对地热储能系统进行建模分析的过程，通过建立数学模型来描述地热储能系统的运行情况，评估系统的性能，并进行优化设计。
地热储能模型主要包括以下几个方面：1. 地热资源评估模型地热资源评估模型主要用于评估地下热源的温度、储量、分布等情况，确定地热储能系统的设计方案。
通常会通过地质勘探和数据分析的方式来获取地热资源信息，建立地热资源数据库，为地热储能系统的建设提供参考依据。
2. 地热储能系统模型地热储能系统模型是对地热储能系统的整体结构和运行过程进行描述的数学模型。
包括地热泵、热储罐、蒸汽发电厂等组件的建模，分析系统的热力学性能、能量转化效率、运行稳定性等指标，为系统的运行优化提供支持。
3. 地热储能系统优化模型地热储能系统优化模型是通过对地热储能系统的运行情况进行建模分析，找出系统的瓶颈、优化方案，提高系统的性能和效率。
通过模拟仿真、参数调整等手段，找出最佳的运行策略，实现地热储能系统的最优化设计和运行。
三、地热储能模型应用地热储能模型在实际应用中具有广泛的适用价值，可以为地热储能系统的设计、建设、运行提供科学依据和技术支持：1. 地热资源开发规划通过地热资源评估模型的建立，可以对地下热源进行充分的了解，为地热资源的合理开发规划提供支持。
通过模型分析，确定地热储能系统的建设规模、布局、运行方式等，最大限度地利用地热能源，实现可持续发展。
2. 地热储能系统设计优化通过地热储能系统模型和优化模型的建立，可以对地热储能系统的设计进行优化，提高系统的能量转化效率、运行稳定性和经济性。
土壤源热泵系统优化设计研究【摘要】以潍坊市某办公楼为研究对象，利用能耗模拟软件建立土壤源热泵系统数值模拟平台。
对系统中同一埋管深度、不同钻孔数量的情况进行模拟计算，通过分析比较不同钻孔数量的地埋管出水温度及动态费用年值，得到了该系统的最优钻孔数量。
【关键词】土壤源热泵埋管动态费用年值地源热泵系统具有明显的节能性，但由于大型公共建筑初投资和运行费用相对较大，没有相对优化的设计会造成资源的严重浪费[1]。
利用能耗模拟软件可以有效地解决这一问题。
本文对已有的潍坊一办公建筑做了初步选型并利用Trnsys软件搭建了土壤源热泵系统的仿真平台。
经过分析可知，地下换热器总长度对系统的初投资及运行费用起着关键作用，文章通过初步设计参数选择了多组钻孔数量，并在所搭建的仿真平台上进行模拟，得到动态费用年值最优的钻孔数量。
1 建筑概况及初步设计本工程空调面积为6540平方米，一层层高为4.8米，二、三层层高为5.1米。
针对该项目搭建模拟平台，利用DeST软件对建筑的全年逐时负荷进行模拟，得到该办公建筑最大冷负荷为1070kW，最大热负荷为888kW，经过热响应实验可知该项目的土壤综合导热系数为1.55w/（m·k）。
依照计算负荷与地源热泵系统的设计原则，对该项目进行选型，选择SSD_DH水源热泵螺杆机组1台，制冷量1400kW，制热量1081kW。
系统中钻孔半径为150mm，埋管深度10m，钻孔数为126个，换热器为De32的单U型高强度聚乙烯管。
2 土壤源热泵系统主要部件数学模型2.1 地埋管换热器模型本文采用的地埋管换热器模型为以地热蓄热系统为研究基础的仿真模型——DST（duct storage system）模型[2]。
该蓄热体为以竖直轴对称的柱热源模型，且地埋管被假定为均匀地放置在蓄热体内，管内进行与载热流体的对流换热，管外进行与土壤之间的导热换热。
DST模型将钻孔内外的换热完全作为一个整体计算，计算时需要设定土壤、循环流体、回填材料、U形管的相关热物性参数以及钻孔的尺寸和数量，U形管的布置形式（单或双U管）、连接方式并联串联等。
采用热回收方式解决土壤热平衡问题的工程实例及分析武汉科技大学姚远符永正摘要：结合工程实例对地埋管地源热泵技术应用中的土壤热平衡问题进行了分析，并介绍了目前常用的几种解决该问题的技术措施，针对采用热回收生产卫生热水作为部分辅助冷源的方式，进行了工程实例的计算和分析。
关键词：地埋管地源热泵土壤热平衡多余热量回收利用1 序言地埋管地源热泵系统如今在国内已得到较多的应用，在应用中也遇到了一些问题，其中土壤热平衡问题尤为突出。
当地埋管地源热泵系统冬夏兼用时，在北方地区建筑热负荷大于冷负荷，所以系统冬天从土壤中提取的热量比夏季向土壤中排放的热量大，而南方地区则相反，于是就会造成土壤得失热量的不平衡。
长期如此，地下土壤平均温度会下降或上升,尤其是在地埋管管群集中的中心区域,系统与土壤的换热能力将不断下降，导致系统能效的下降。
本文在介绍常用的热平衡措施的基础上，主要对采用热回收的方式，针对一个工程实例进行计算和分析。
2 解决地源热泵系统热平衡问题的方法土壤热平衡问题是地埋管地源热泵系统设计与应用中需要解决的首要问题，如今已经有不少方法应用在实际工程中，并取得了不错的效果，比如在系统中加入辅助冷热源、间歇式控制等措施。
其中使用较为广泛的措施就是采取混合式地源热泵系统。
混合式地源热泵即地埋管换热系统与辅助散热设备或辅助热源混合使用的热泵系统，分为室内换热系统和室外换热系统两大部分[1]。
2.1 冷却塔-地埋管地源热泵在南方地区，建筑负荷特点一般是夏季冷负荷大于冬季热负荷，所以土壤热平衡问题是体现在土壤热量的堆积上。
在此种负荷特点下，设计中地埋管的热容量是以建筑物的热负荷作为设计基础，夏季供冷时采用辅助散热设备散去室内多余热量。
冷却塔是混合式地源热泵系统最常用的散热设备，在大部分工程设计中，通常是根据建筑全年累计总负荷计算热量得失，由系统对土壤取热量与散热量之差计算冷却塔循环水量从而选取冷却塔型号，在控制冷却塔时则固定时间启停。
土壤蓄热与土壤源热泵集成系统的数值模拟罗苏瑜(中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙410083)摘要:结合土壤源热泵技术推广中存在的问题和地下蓄能技术的优点,提出了土壤蓄热与土壤源热泵集成系统及其地下管群换热器的布置方式。
并在能量平衡的基础上建立了地下管群换热器蓄热、释热和停止运行的数学模型。
通过数值模拟,分析了埋管间距对蓄热与释热的运行特性的影响。
关键词:土壤蓄热;土壤源热泵;集成系统;地下管群换热器;管间距中图分类号:T K523;O242 文献标识码:A 文章编号:1004-7948(2007)06-0012-041引言土壤源热泵技术因其使用可再生的地热能且有益于环境保护,被称为是当今世界上一项最具发展前景的空调技术[1]。
地下蓄能技术可以对大量的工业余热、废热和太阳能进行有效利用,由此能显著降低地区的CO2、NO x、SO x及CFC排放量[2,3]。
本文结合这两种技术的优点提出土壤蓄热与土壤源热泵集成系统,该系统是将土壤源热泵技术与土壤蓄热技术有机地结合起来,充分利用土壤蓄存能量大和土壤耦合热泵系统的优点,将蓄热装置转移到土壤源热泵系统的地下埋管换热器系统中,使地下埋管换热器与蓄热装置合二为一,省去了传统蓄热系统中占地面积大、耗资较多的蓄热装置,解决了蓄热装置的占地面积及配置问题。
土壤蓄能与土壤源热泵集成系统在供热为主供冷为辅严寒地区的冬季供热工况运行时,通过地下埋管换热器将集热器收集起来的太阳能或工业余热、废热部分或全部地贮存到地下土壤中,而后通过开启循环水泵使载热剂在地下盘管中循环流动与埋管周围的土壤进行热交换,将蓄存于土壤中的热量提取出来进行供暖,当地下蓄存的热量不足建筑物所需的冷负荷时,系统可按土壤源热泵系统的供热工况运行,此时换热器起纯取热的作用。
土壤蓄能与土壤源热泵集成系统的不同运行工况对地下埋管换热器的要求不一样,冬季供热工况的以上两种运行模式要求地下埋管换热器的功能也不同,这就使得在不同的运行工况、不同的运行模式需要对地下埋管群有不一样的结构优化。
本章通过数值模拟计算,将分别对土壤蓄热、释热运行模式和冬季纯取热运行模式的换热器进行结构优化。
2物理模型土壤蓄热与土壤源热泵集成系统主要应用于工业余热、废热或太阳能比较富足的,以供暖为主供冷为辅的寒冷地区,在冬季对土壤蓄热、释热而言,地下管群换热器当作换热器和蓄热装置使用,因此该系统使用的地下埋管换热器具有土壤源热泵的换热和土壤蓄热双功能,所以亦称之为双重功效地下管群换热器。
为了减小土壤蓄热、释热过程中的热量损失及埋管换热器的占地面积,双重功效的地下管群换热器应采用垂直铺设的方式,其埋管换热器的结构形式通常有垂直U型管式、垂直套管式及垂直螺旋管式等。
本文研究的埋管换热器采用垂直U型管,同时为了减少土壤蓄热与土壤源热泵集成系统在蓄热与释热过程中的能量损失应尽量减少外层管的数量,所以管群的布置形式为等间距的八边形排列(见图1)。
管群的U型管总数为52根,其中内层管32根,外层管20根。
在冬季供暖时52根联供,夏季可隔根使用以此增大排热体积。
当在冬季纯取热工况下运行时,由于较大的管间距能减轻管间的热干扰问题,更有利于盘管取热,但是如果在冬季纯取热工况运行时仍采用以上的埋管布置形式和埋管间距,既影响到系统的取热性能,又不利于地温恢复以及系统的长期运行。
因此,当冬季纯取热工况下运行时,为保证埋管间距有利于系统的长期运行,只取管束中的部分埋管参与冬季取热工况的运行。
冬季纯取热工况埋管布置形式如图2所示,本文选取了4根内层管、8根外层管进行联管联供。
3土壤蓄热、释热过程的数学模型在土壤蓄热、释热过程中,地下埋管换热器与土壤的传热过程受诸多因素的影响,如盘管的埋深、尺图1 具有蓄热工况时地下管群换热器平面布置图图2 冬季纯取热工况时地下管群换热器平面布置图寸及盘管周围土壤的热物特性、土壤中水分的热湿迁移、埋管周围与土壤接触的紧密程度等。
为了使建立的数学模型能真实地描述盘管在土壤中的传热过程,并且便于问题的理论分析与求解,在建立土壤蓄热、释热过程的数学模型时作如下近似假设[4]:(1)土壤为各向同性、均质的刚性含湿多孔介质体,且含湿量均匀一致。
(2)盘管与土壤间以纯导热的形式进行热量的传递,忽略土壤中水分迁移的影响。
根据M.Piechowski 的研究,认为在换热过程中因土壤热量传递引起的水分迁移而导致的土壤导热系数的变化较小,伴随水分迁移而迁移的热量,相对于总的热量传递可以忽略不计(误差小于5%),故作这样的假设。
(3)忽略U 型管管壁与回填材料、回填材料与土壤之间的接触热阻,认为埋管与回填材料、回填材料与孔壁接触紧密。
(4)土壤、回填材料和U 型管的初始温度一致。
(5)忽略土壤表面与周围环境的辐射换热。
本文针对地下埋管换热器管群实际模型进行模拟分析,采用整场模拟进行整体求解的方法。
该土壤蓄热、释热过程的数学模型主要建立在如下几个能量平衡方程上。
(1)管内流体的能量平衡方程:9t f 9τ=-u 9t f 9τ+αf 92t f 9x 2+92t f 9y 2+92t f9z 2(2)管壁的能量平衡方程:9t p 9τ=αp 92t p 9x 2+92t p 9y 2+92t p9z 2(3)回填材料区域的能量平衡方程:9t b 9τ=αb 92t b 9x 2+92t b 9y 2+92t b9z 2(4)土壤区域的能量平衡方程:9t s 9τ=αs 92t s 9x 2+92t s 9y 2+92t s9z 2(5)初始条件:t f =t p =t b =t s =t 0(τ=0)(6)边界条件:地下管群换热器顶部的边界条件-λ9t s 9n |z =0=h w (t s -t a )地下管群换热器底部的边界条件9t s9n |z =z b=0地下管群换热器的远边界条件 t s |r f=t 0流体入口条件 t f =t i 以上各式中下标,f 表示流体,p 表示盘管,b 表示回填材料,s 表示土壤,α表示大气。
u 为流体的流速,m/s ;λ为导热系数,W/(m ・℃);t 为温度,℃;τ为运行时间,s ;α表示热扩散率,m 2/s ;h w 为地表面对流换热系数,W/(m 2・℃);r 为距管束中心的距离,m 。
4数值模拟与分析在上述模型建立的基础上,对集成系统在土壤蓄热、释热工况时地下管群换热器不同管间距(D =016m 、018m 、110m )情况下进行模拟计算。
冬季系统进行3d 预蓄热,然后进行8h 释热、10h 蓄热、6h 停机的以日为周期的正常蓄热、释热运行30d 。
模拟计算时采用的各项参数见表1。
表1 不同埋管间距时蓄热、释热运行的模拟条件盘管内/外径/mm 20/24管内流体类型水土壤类型砂砾管脚间距/mm 40土壤初始温度/℃15埋管管材HDPE 钻孔内径/mm 100蓄/释热入口水温/℃30/60远边界/m9井深/m40管内流体流速/m ・s -10.5回填材料碎石粘土 图3(a )、(b )、(c )是不同管间距的地下管群换热器32根内层管总的日蓄热、释热量的变化曲线图3 不同埋管间距下的内层管总的日蓄热、释热量图。
由图3可知,管间距的大小对内层管的蓄热、释热产生了较为明显的影响。
系统在进行3d 的预蓄热之后开始进入正常周期性运行状态,对于间距为016m 而言,由于前期预蓄热的作用效果,进入正常周期性运行状态后,日释热量大于日蓄热量,随后日蓄热量逐日增大、日释热量逐日减小,直至日蓄热量大于日释热量且差值不再变化,此时系统达到稳定运行状态。
对于间距为018m 、110m 而言,日蓄热量逐日减小,而日释热量逐日增大,当系统达到稳定运行状态时,日蓄热量与日释热量之间的差值几乎不再变化。
当以上3种管间距的系统进入稳定运行状态后,间距为016m 的日蓄热量与日释热量的差值为169MJ ,达到稳定运行所需的时间为25d 。
当间距为018m ,系统的日蓄热量比间距为016m 的日蓄热量增加了1301178MJ ,而日释热量减少了541158MJ ,系统达到稳定运行所需的时间为20d 。
当间距为110m ,系统的日蓄热量比间距为016m 的日蓄热量增加了3261793MJ ,而日释热量减少了1101963MJ ,系统达到稳定运行所需的时间为30d 以上。
由此可见,随着管间距的增加日蓄热量逐渐增大,而日释热量逐渐减小,日释热率(日释热量/日蓄热量)就逐渐减小。
造成这种情况的原因是因为埋管间距决定了有效蓄热体的总热容量,间距大有利于蓄热的进行,同时也由于间距的增大使得来自系统的热量传递损失和热层热量损失也增加。
因此,选择较小的间距有利于系统的蓄热与释热效率的提高。
图4 不同埋管间距下的外层管总的日蓄热、释热量 图4(a )、(b )、(c )是不同管间距的地下管群换热器20根外层管总的日蓄热、释热量的变化曲线图。
在系统完成3d 预蓄热后的运行阶段,对于不同埋管间距,外层管日蓄热量与日释热量间的差值随埋管间距的增大而增加,日释热率(日释热量/日蓄热量)随埋管距的增大而减小,在系统运行30d 后,分别为52132%、43162%、34170%。
这是由于埋管间距增大时,埋管周围的土壤总热容量增加,同时外边界的传热面积增大也使得热量损失随着增大,因此要求的蓄热量也不断增大,同时释热量却随着埋管间距的增大而减少。
因此,在内层管的管间距一定的情况下可减小外层管的管间距以此来减少外边界的传热面积,从而可以达到提高释热效率的目的。
对集成系统冬季纯取热工况时地下管群换热器在不同管间距(D =016m 、018m 、110m )情况下进行模拟计算。
系统进行8h 取热、16h 停机的以日为周期正常运行30d 。
模拟计算时采用的各项参数见表1。
其模拟计算的结果如图5、6所示。
不同埋管间距下的平均每根内、外层管日取热量情况分别见图5、6所示(两图中标示的管间距016m 、018m 、110m 分别为相应的夏季盘管间距)。
从图中可见,间距越大系统的日取热量越高,并且随着运行时间日取热量逐渐降低。
以系统运行的第1d 至第30d 为例,对于内层管而言,当管间距为016m 时,平均每根内层管的日取热量从121158MJ降低到77126MJ 。
当管间距为018m 时,平均每根内层管的日取热量从121186MJ 降低到86153MJ 。
当管间距为110m 时,平均每根内层管的日取热量从122140MJ 降低到92110MJ ;对于外层管而言,当管间距为016m 时,平均每根外层管的日取热量从121161MJ 降低到86115MJ 。
当管间距为018m 时,平均每根外层管的日取热量从121182MJ 降低到91187MJ 。
