地源热泵地埋管换热器传热相关性研究

3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 2.8MB 89 页 15积分

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摘要

随着环境问题的日益突出和人类对于能源需求量的增大，地源热泵空调系统

以其高效节能、运行安全可靠、结构简单、对环境无污染以及使用范围广泛等优点

成为二十一世纪最引人关注的空调技术之一。地埋管换热器是地源热泵系统与土

壤，地下水或地表水进行热交换的装置，是地源热泵系统的核心部件，其性能好

坏直接影响地源热泵系统的性能优劣。因此对地源热泵地埋管换热器的传热相关

性研究至关重要。

本文首先介绍了地源热泵系统的组成及原理，主要包括模块式地源热泵机组、

循环水泵、水管环路、水系统控制箱和室内温控器等；总结了国内外地埋管换热器

传热研究进展以及地埋管换热器传热分析方法。然后通过土壤热响应测试实例，

现场测试确定测试场地内土壤的基本参数，包括土壤的原始地温，地埋管换热器

单位长度的平均放热量及取热量，岩土热物性参数，包括地埋管换热器深度范围

内各个岩土层以及回填材料的热物性参数等；并根据土壤热响应测试得到的数据

分析地埋管换热器的传热特性，建立了地源热泵地埋管换热器数学物理模型，利

用FLUENT 软件对地埋管换热器多年使用情况进行数值模拟，研究其传热相干性

的影响情况。通过对地源热泵地埋管换热器传热性能实测与多年非连续运行工况

的模拟结果比较，得到不同地埋管间距周围的土壤温度沿径向的变化规律及地埋

管相互间传热相干性的影响规律。

结果显示，较大的埋管间距不仅可以保证热泵系统全年以较高的换热效率运

行，还可使土壤全年温度波动值较小，对土壤自身物性影响较小，换热越有利。

但应合理利用土地资源，根据当地气候条件、土壤性质及建筑环境的实际情况，

合理设计地埋管换热器埋管间距。同时确定针对长三角地埋管换热器每延米换热

量50W/m 左右的地区，最佳埋管间距为 4.3m。对于其他地区可根据具体地质条件

通过模拟数据拟合出供冷天数与埋管间距的线性关系曲线。由此，可根据不同的

地区所需供冷天数来确定 U 型埋管换热器的两管间距。

关键词：地源热泵　地埋管间距　传热相干性　多年非连续运行　土

壤热响应测试　数值模拟

ABSTRACT

Along with the environmental problem getting obvious and the increasing energy

demands of human beings, Ground source heat pump air conditioning system has

become one of the most compelling air conditioning technologies in the 21st century

with its advantages of high efficiency and energy saving, safe and reliable operation,

simple structure, no pollution to the environment and a widely range of using etc.

Buried pipe heat exchanger is the device for heating exchanging among ground source

heat pump system, the soil, groundwater and surface water, and it is the core

components of Ground source heat pump system. Its performance has direct influence

on the quality of ground source heat pump system. As a result, it is significant for the

heat transfer correlation research of ground source heat pump buried pipe heat

exchanger.

The thesis firstly introduces the composition and principle of ground source heat

pump system, mainly including modular ground source heat pump units, circulating

water pump, water loop, water system control box and indoor temperature controller

etc; secondly, the research progress and heat transfer analysis methods of buried pipe

heat exchanger at home and abroad be summarized. Then through the soil thermal

response test case, it determines the soil basic parameters about the test field, including

the original soil temperature, buried pipe heat exchanger of unit length average heat

exchange amount, the thermal and physical properties of geotechnical parameters,

including the depth range of buried pipe heat exchanger with each rock layer and

backfill material parameters etc. According to the soil thermal response test data, it

analysis the heat transfers characteristics of buried pipe heat exchanger and established

the ground source heat pump buried pipe heat exchanger mathematical and physical

model be .lastly, it does numerical simulation through the several years` using

conditions with the FLUENT software, so that to study the influence of the heat transfer

coherence. Based on the results between the numerical simulation on several years`

non-continuous running condition and measurements of the buried tube heat transfer

performance on the radial, it gets the changing law of the soil temperature around the

different buried pump space along radial direction and the effecting law of the heat

transfer coherence effects among the buried pumps.

The results show that large buried pipe spacing not only can ensure the heat pump

system with higher thermal efficiency in operation, but also can make the soil

temperature fluctuation value smaller, the smaller soil physical properties of their

influence, with the better heat transfer. But should be rational utilization of land

resources, according to the local climate condition, soil properties and the actual

situation of construction environment, design the buried pipe heat exchanger buried pipe

spacing reasonable. At the same time to determine the long triangle buried pipe heat

exchanger heat per linear meter in 50 W/m, the best buried pipe spacing is 4.3 m. For

other areas the specific geological conditions, through the simulation data fitting out

cooling days and buried pipe spacing of the linear relationship curve. According to

different region for cooling days to make sure the two tube U buried pipe heat

exchanger spacing.

Key Word：GSHP，Buried Tube Heat Space，Coherence Effects，

Discontinuous Operation for Years， geo-thermal response

test，Numerical Simulation

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论......................................................................................................................1
1 研究背景及意义.....................................................................................................1
2 地源热泵系统原理简述.........................................................................................2
2.1 地源热泵系统的组成.......................................................................................2
2.2 地源热泵系统的原理.......................................................................................2
2 研究进展.................................................................................................................3
2.1 国外研究进展...................................................................................................3
2.2 国内研究进展...................................................................................................4
2.3 地埋管换热器传热分析方法...........................................................................5
3 本文的主要研究内容.............................................................................................9
第二章 土壤导热系数的确定及热响应测试实验........................................................11
1 地埋管换热器热响应测试的意义和目的...........................................................11
1.1 热响应测试的意义.........................................................................................11
1.2 热响应测试的目的.........................................................................................11
2 测试实验概况.......................................................................................................12
3 测试参考标准.......................................................................................................12
4 土壤热响应测试实验...........................................................................................12
4.1 热响应测试实验目的.....................................................................................12
4.2 热响应测试实验原理.....................................................................................12
4.3 测试系统.........................................................................................................13
5 测试方案...............................................................................................................15
5.1 测试孔制作方案.............................................................................................16
5.2 岩土初始温度测试方案.................................................................................16
5.3 土壤热物性测试方案.....................................................................................16
5.4 具体测试进度.................................................................................................17
6 地下土壤的地质构成...........................................................................................17
7 土壤初始平均温度...............................................................................................18
8 岩土热物性参数计算...........................................................................................18
8.1 数据记录.........................................................................................................18
8.2 岩土热物性参数计算.....................................................................................19

8.3 岩土热物性计算举例.....................................................................................22
8.4 计算结果汇总.................................................................................................23
9 测试结论...............................................................................................................24
9.1 土壤初始温度.................................................................................................24
9.3 土壤换热器热交换量.....................................................................................24
10 本章小结.............................................................................................................24
第三章 地源热泵相关性全年性能分析、数值模拟研究及实验验证........................25
1 地源热泵空调系统相关性及热平衡研究...........................................................25
1.1 相邻地源热泵系统土壤热平衡影响因素分析.............................................25
1.2 地埋管换热器换热效果影响因素分析.........................................................26
2 地下换热器数值求解模型...................................................................................29
2.1 CFD 数值模拟软件简介................................................................................29
2.2 物理模型.........................................................................................................30
2.3 数学模型.........................................................................................................31
2.4 网格划分.........................................................................................................32
2.5 边界条件及 FLUENT 中的求解设置............................................................33
3 地源热泵的全年性能模拟结果分析...................................................................35
3.1 夏季制冷循环地埋管换热器换热性能模拟.................................................36
3.2 冬季制热循环地埋管换热器换热性能模拟.................................................43
3.3 地源热泵空调系统全年非连续运行地埋管换热器换热性能模拟分析.....48
3.4 地源热泵空调系统多年运行地埋管换热器换热性能模拟.........................52
4 模型的实验验证...................................................................................................62
4.1 实验概况.........................................................................................................62
4.2 实验目的.........................................................................................................62
4.3 模拟结果与实测结果比较分析.....................................................................62
5 本章小结...............................................................................................................64
第四章 总结与展望........................................................................................................65
1 全文总结...............................................................................................................65
2 体会和展望...........................................................................................................66
参考文献.........................................................................................................................67

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

地热是一种可再生的自然能源，而地壳中蕴藏着丰富的地热能，特别是在传

统能源越来越匮乏的今天，地热能的利用在许多国家已得到了相当的重视。地源

热泵中央空调系统就是利用了地球表面浅层地热资源，作为空调系统冷热源，进

行供冷供热的。地源即地表浅层地热资源，包括地下水、河流、湖泊以及地表土壤

吸收太阳能、地热能后而蕴藏的低品位热能。地表浅层可以吸收 47%太阳能，相当

于人类每年利用能量的 500 倍，是一个巨大的太阳能集热器。并且不受地域、环境

资源限制，量大面广无处不在。正是这种近乎无限的地表浅层可再生能源，使得

地源也成为一种可再生清洁能源。

地源热泵中央空调系统就是利用水与地源（地下水、土壤或地表水）进行冷

热交换的设备，冬季把地源中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地源为

“热泵”；夏季把室内热量“取”出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时

地源为“冷源”。地源热泵空调系统需要输入少量的高品位能源，可实现低品位

热能向高品位的转移。与电或燃料锅炉供热系统相比较，锅炉供热系统只能将

90%以上的电能，或 70%～90%的燃料内能转化为热量供用户使用，因此地源热

泵空调系统要比电锅炉加热系统节省电能达到65%以上，比燃料锅炉节省能量达

到50%以上。并且地源热泵空调系统的热源温度一般为9～16℃，全年较为稳定，

其COP 可达3.5～6.3，比传统空气源热泵高出 40%左右，而运行费用仅为普通中

央空调的一半。地源热泵中央空调系统的污染物排放也比空气源热泵减少 40%以

上，比常规电供暖减少 70%以上，如果结合其他节能措施减排效果会更明显。

作为一种先进的空调技术，地源热泵已经在世界范围取得长足的进展和应用，

并取得了非常可观的节能效果和经济价值。地源热泵系统是二十世纪最引人关注

的空调技术之一，被列入可再生能源之列。由于地源热泵中央空调系统具有结构

简单、运行高效节能并且稳定可靠、维护费用低、对环境无污染、使用范围广泛等优

点[1]，近年来在我国呈现出了很好的推广趋势。国外在70 年代已经开始研究和发

展地源热泵技术。目前，地源热泵作为商品在美国等发达国家已进入成熟期，而

在我国则处于起步阶段。但是，随着地源热泵技术的逐步发展，目前对地源热泵

大多从稳定传热模型、且土壤源看成无限大热源的角度进行理论分析，对地源热

泵相关的土壤源全年的温度变化及性能指标变化研究较少，然而土壤源的温度变

化和性能变化直接关系到地源热泵的寿命，很值得研究。为了使其更好地发挥节

能减排效应，对地源热泵空调系统传热相关性研究，并对影响地源热泵运行性能

的相关因素进行讨论，将对地源热泵的应用推广有着重大的经济效益和社会意义

并可为地源热泵设计应用提供依据。

1.2 地源热泵系统原理简述

1.2.1 地源热泵系统的组成¾

地源热泵空调机组是一种水冷式的供冷、供热机组。机组由同轴套管式水/制

冷剂热交换器、封闭式压缩机、热力膨胀阀、四通换向阀、空气侧盘管、风机、空气

过滤器、安全控制装置等组成。地源热泵空调机组本身带有一套可逆的制冷、制热

装置，可直接用于空调系统供冷、供热。地源热泵系统是由模块式地源热泵机组、

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摘要：

摘要随着环境问题的日益突出和人类对于能源需求量的增大，地源热泵空调系统以其高效节能、运行安全可靠、结构简单、对环境无污染以及使用范围广泛等优点成为二十一世纪最引人关注的空调技术之一。地埋管换热器是地源热泵系统与土壤，地下水或地表水进行热交换的装置，是地源热泵系统的核心部件，其性能好坏直接影响地源热泵系统的性能优劣。因此对地源热泵地埋管换热器的传热相关性研究至关重要。本文首先介绍了地源热泵系统的组成及原理，主要包括模块式地源热泵机组、循环水泵、水管环路、水系统控制箱和室内温控器等；总结了国内外地埋管换热器传热研究进展以及地埋管换热器传热分析方法。然后通过土壤热响应测试实例，现场测试确定测试场地内...

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