冷却塔辅助冷却地埋管换热系统的应用研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 2.89MB 69 页 15积分

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摘要

地源热泵技术利用地下土壤作为热泵机组的冷热源，是属于经济，绿色的

能源利用，但是应用于以冷负荷为主的商业建筑时，每年向地埋管区域排热量

大于取热量，热量逐年累积，会导致埋管区域温度升高，影响热泵机组的正常

运行，使用冷却塔辅助地埋管散热可以有效解决这些问题，因此本文具体研究

内容成果如下：

(1) 研究了地埋管钻孔内的传热模型，钻孔外的传热模型，应用无限长线

热源模型研究变热流密度下地下土壤温度场的分布，特别是钻孔壁的温度变化。

建立模型，根据得到的土壤初始平均温度、地下土壤导热系数、钻孔内热阻、

岩土的体积热容后，散热量来模拟地埋管进出口水温变化，并通过地源热泵热

响应测试井的实验数据来验证此模型的正确性。此模型用来研究地埋管进出口

的水温十分吻合，相对误差基本小于 2%，在工程允许的误差范围之内。

(2) 讨论了岩土比热容、导热系数、热流强度与持续时间等对地下温度场

的影响，然后运用叠加原理计算了采取顺排 3×3 的多井系统在恒热流、变热流

密度下地埋管区域的温度场分布，对比了多井系统管群中间区域和边缘区域的

温度分布，以及各井的进出口温度。

(3) 以小型超市代表间歇负荷建筑、宾馆建筑代表连续负荷建筑，对比了

冷却塔辅助冷却地埋管换热系统在连续负荷建筑、间歇负荷建筑应用情况，连

续负荷建筑采用冷却塔辅助冷却地埋管换热系统优势更明显。

(4) 在本次计算的上海地区地埋管换热系统中，钻孔深度为 100m 的单 U

型地埋管，在间歇负荷建筑小型超市运用时，每钻孔承担的负荷不宜超过

4000W，否则会严重影响热泵机组在夏季负荷高峰的性能，在连续负荷宾馆建

筑中，则每钻孔承担的负荷不宜超过 3500W，如超出此范围，可以采用冷却塔

进行辅助冷却。

关键词：地埋管换热系统冷却塔辅助冷却温度场

ABSTRACT

Ground-source heat pump technology which utilize underground soil as cold

and heat source, belongs to the economy and green energy utilization way. Because

the heat injection is greater than the heat extraction, ground-source heat pumps for

cooling-dominated commercial buildings may result in annual load imbalance in the

borefield. The heat is accumulated, which cause the buried pipe regional temperature

rise and degradation of the heat pump performance. The use of supplemental cooling

tower can solve these problems effectively. The specific research contents of this

paper are as follows:

(1) To analyze the heat transfer model in the borehole and outside the borehole,

the infinite line heat source model is used to research the temperature distribution of

the borefield when under variable heat flow, especially the drill hole wall

temperature change. To establish the model, the soil initial temperature, the ground

thermal conductivity, heat resistance in the hole, thermal flux are used to simulate

the pipe inlet and outlet temperature, and through the ground source heat pump

thermal response test experimental data to verify the correctness of this model. This

model is used to study the buried pipe import and export temperature perfectly, the

relative error less than 2% with the experimental data, basic in engineering allowed

error range.

(2) The influence on temperature distribution of initial underground

temperature, the geotechnical specific heat capacity and thermal conductivity, heat

flow strength and duration are discussed. And then using the superposition principle

to calculate the temperature distribution of the borefield，which take 3×3 multi well

system under constant heat flow or variable heat flow. The temperature difference of

the middle area and edge area, and the import and export temperature of all drill

holes are contrasted. Comprehensive import water temperature, export water

temperature calculation method of the multiple well system is mentioned.

(3) In this paper,use the office building represents the continuous load building,

use the hotel building represents the intermittent load building,to study the

application of cooling tower auxiliary cooling ground heat exchanger system.The

result shows that the hotel builing uses cooling tower auxiliary cooling ground heat

exchanger system has more advantages than office building.

(4) In Shanghai, the ground heat exchanger system which used in this paper, the

drilling depth of 100 meter using the single u-shape buried tube, when building has

intermittent load like small supermarket, each driling hole should not be bear the

load of more than 4000 w, otherwise it will seriously affect the performance of the

heat pump units at summer peak load time,while in continuous load building like

hotel, the borehole each driling hole should not be bear the load of more than 4000

w, if beyond this scope, the supplementary cooling tower can be used.

Key Word: ground heat exchanger system, cooling tower,

supplementary cooling, temperature field

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................. 1

1.1 研究背景及意义 ................................................................................................. 1

1.2 空调用热泵系统的应用现状 ............................................................................. 1

1.2.1 空气源热泵应用现状.................................................................................. 1

1.2.2 地源热泵应用现状...................................................................................... 2

1.2.3 采用复合地源热泵系统的原因及意义...................................................... 3

1.3 冷却塔辅助冷却地埋管系统的国内外研究现状 ............................................. 4

1.3.1 冷却塔辅助冷却地埋管换热系统的组成.................................................. 4

1.3.2 冷却塔辅助冷却地埋管换热系统节能与经济性...................................... 6

1.3.3 冷却塔辅助冷却地埋管换热系统的设计与选型...................................... 7

1.3.4 冷却塔辅助冷却地埋管换热系统的运行控制策略................................ 11

1.4 本文的主要研究内容 ..................................................................................... 12

第二章地埋管换热模型及其实验验证 .................................................................... 13

2.1 地埋管换热模型 ............................................................................................... 13

2.1.1 钻孔内的传热模型.................................................................................... 13

2.1.2 钻孔外的传热模型.................................................................................... 15

2.1.3 钻孔外的变热流密度换热模型................................................................ 16

2.1.4 地埋管换热器内流体的进、出口温度.................................................... 18

2.2 地埋管换热模型的实验验证 ........................................................................... 19

2.2.1 测试设备与仪表测试平台的误差控制.................................................... 19

2.2.2 测试方案及测试数据................................................................................. 21

2.2.3 模拟数据及结果分析................................................................................. 23

2.3 本章小节 ........................................................................................................... 25

第三章无辅助冷却时地埋管系统地下温度场研究 .............................................. 27

3.1 单井系统的地下温度场 ................................................................................... 27

3.1.1 各参数对地下温度场的影响.................................................................... 28

3.2 多井系统的地下温度场 ................................................................................... 31

3.2.1 多井系统在恒热流下温度场.................................................................... 31

3.2.2 多井系统变热流下地埋管流体进出口温度............................................ 35

3.3 本章小节 ........................................................................................................... 38

第四章辅助冷却地埋管系统在间歇负荷建筑中的应用 .......................................... 39

4.1 小型超市的建筑负荷特征 ................................................................................ 39

4.2 建筑负荷及地埋管的放热量 ........................................................................... 40

4.2.1 建筑的负荷模拟及地埋管的放热量计算................................................. 40

4.3 钻孔壁温升和地埋管换热系统进出口温度 ................................................... 43

4.4 短期内冷却塔辅助冷却效果 ........................................................................... 44

4.4.1 采用冷却塔前后地埋管的进出口水温变化............................................ 44

4.4.2 采用冷却塔前后热泵机组 COP 变化 ...................................................... 46

4.5 长期运行中辅助冷却地埋管换热系统运行效果 ........................................... 48

4.5.1 未采用冷却塔时地埋管系统的年吸排热量............................................ 48

4.5.2 采用冷却塔辅助冷却前后地埋管的进出口温度..................................... 48

4.6 本章小节 ........................................................................................................... 49

第五章辅助冷却地埋管系统在连续负荷建筑中的应用 ........................................ 51

5.1 宾馆建筑的负荷模拟及地埋管的放热量 ........................................................ 51

5.2 短期运行中冷却塔的辅助冷却效果 ............................................................... 53

5.2.1 地埋管进出口水温变化............................................................................ 53

5.2.2 热泵机组 COP 变化 .................................................................................. 54

5.3 长期运行中冷却塔的辅助冷却效果 ............................................................... 55

5.3.1 未采用冷却塔时地埋管换热系统进出口水温........................................ 55

5.3.2 采用冷却塔时地埋管换热系统进出口水温............................................ 57

5.4 本章小节 ........................................................................................................... 58

第六章结论与展望 .................................................................................................... 60

6.1 结论 ................................................................................................................... 60

6.2 展望 ................................................................................................................... 61

参考文献 ...................................................................................................................... 63

在读期间发表的论文和承担的科研项目及取得成果 .............................................. 65

致谢 .......................................................................................................................... 66

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

能源作为人类文明前进的物质基础，在现代社会发展中，一直是必不可少

的基本条件。中国的能源发展正面临着诸多挑战，能源资源较缺乏，天然气、

石油煤炭、人均拥有量较低，需要进口大量的能源。而且近年来能源消费总量

增长过快，各类能源供应压力增大。另外，化石能源无节制的大规模开发利用，

对生态环境造成一定程度的破坏。

为减少对能源资源的过度消耗，实现经济、社会、生态全面协调可持续发

展，建设资源节约、环境友好型社会，中国不断加大节能减排力度，努力提高

能源利用效率。热泵技术利用周围环境，空气、自然水体、土壤等作为空调冷

热源，是重要的节能技术措施之一，符合保护环境的可持续发展要求，具有重

要的研究意义。

1.2 空调用热泵系统的应用现状

与传统空调技术相比，热泵技术具有以下优点：（1）属于可再生能源利用技

术；（2）属于绿色能源利用技术；（3）属于经济高效节能技术；（4）一机多用，

运行稳定可靠。按照热泵系统的性质，一般可以分为空气源热泵、地源热泵两种

类型。

1.2.1 空气源热泵应用现状

空气源热泵，在供热工况下将室外空气作为低温热源，在供热工况下，将

室外环境的空气作为空调系统的低温热源，吸收其低温热量，利用热泵实现热

量向温度较高的室内传送，空气源热泵机组的能效系数 COP 一般为 2 ~3。空气

源热泵系统简单，初投资较低。空气源热泵也存在一些缺点，容易受室外环境

影响，在夏季高温高热或者冬季特别寒冷天气时，空气源热泵的效率就会大大

降低。室外空气温度越低，空气源热泵的制热量就会减少，这与建筑热负荷需

求趋势相悖，需要采取其他辅助加热措施，在特别寒冷的时候，空气源热泵的

蒸发器上会结箱，需要定期除霜，这成为了一个较大的技术障碍；而在夏季高

温天气，室外空气过高不利于热泵机组冷凝器换热，其制冷量降低。因此，空

气源热泵在寒冷地区应用受阻，而在冬季气候较温和的长江中下游地区，应用

比较广泛。另外，空气源热泵的室外机需要安装在建筑外部，对建筑物有一定

的影响。

冷却塔辅助冷却地埋管换热系统的应用研究

1.2.2 地源热泵应用现状

地源热泵的低温热源一般是大地的地下水和土壤。在较深的地层中，在未受

热干扰的情况下，常年可以维持稳定的温度，比冬季的室外空气温度高，比夏季

的室外温度低，因此地源热泵不存在空气源热泵那样的技术障碍，且能效系数有

了较大提高。此外，在冬季，地源热泵吸收大地中的热量，升高温度后给建筑供

热，降低了大地中的温度蓄藏了冷量，以供夏季使用；在夏季，通过热泵把建筑

物中的热量再传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量，以供冬季使

用。这样大地夏藏冬用，起到了蓄能器的作用，使得空调系统全年的能源利用效

率进一步提高 [1

1.2.2.1 地下水源热泵系统

]。依据地源热泵系统所采用的冷热源种类，一般将其分为三类：

地表水地源热泵系统(surface-water heat pumps systems)，地下水地源热泵系统

(ground water heat pumps systems)和地埋管地源热泵系统 (ground heat

exchanger heat pumps systems) 。

地下水源热泵系统是最早应用的在工程中地源热泵系统，在以上三种类型

的地源热泵系统中，地下水地源热泵系统能效比是最高的。地下水的温度全年

相对稳定波动较小，换热性能优于土壤，且热惰性大，是天然冷热源。然而，

在实际工程运用中，地下水源热泵系统有明显的弊端：地下水的水质比较复杂，

含有一些杂质，特别容易对系统换热器造成腐蚀或者结垢甚至阻塞。同时还有

不容忽视的回灌问题，这有可能造成水源污染和城市地层的下陷。

1.2.2.2 地表水源热泵系统

地表水源地源热泵系统利用地表水作为冷热源的热泵系统，根据建筑所在

的地理水文条件，可以选择江、河、湖、海等作为冷热源。根据热泵机组与地

表水的连接方式，将地表水地源热泵系统分即开式地表水地源热泵系统和闭式

地表水地源热泵系统。在寒冷地区，冬天地表水有结冰的危险，为了防止系统

冻裂，只能适用闭式系统。总的来说，地表水地源热泵系统具有相对造价低廉、

泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是，地表水地源热泵地表水直

接和外界空气换热，容易受到空气温度的影响。例如，在冬季最冷的时候，外

界空气温度下降，从而导致热泵主机的运行效率下降，因此机组的供热量也随

之减少，但是此时室内需要的热量却随着外界空气温度的下降而增加，所以往

往这个时候，这种热泵系统不能满足用户的需求。相同的道理，在夏季气温最

高的时候，由于地表水温的升高从而导致机组运行效率的下降，机组的制冷量

相应减少，但是这个时候却是室内冷量需求最大的时候，所以这种系统在这种

情况下也不能满足需求。

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摘要：

摘要地源热泵技术利用地下土壤作为热泵机组的冷热源，是属于经济，绿色的能源利用，但是应用于以冷负荷为主的商业建筑时，每年向地埋管区域排热量大于取热量，热量逐年累积，会导致埋管区域温度升高，影响热泵机组的正常运行，使用冷却塔辅助地埋管散热可以有效解决这些问题，因此本文具体研究内容成果如下：(1)研究了地埋管钻孔内的传热模型，钻孔外的传热模型，应用无限长线热源模型研究变热流密度下地下土壤温度场的分布，特别是钻孔壁的温度变化。建立模型，根据得到的土壤初始平均温度、地下土壤导热系数、钻孔内热阻、岩土的体积热容后，散热量来模拟地埋管进出口水温变化，并通过地源热泵热响应测试井的实验数据来验证此模型的正确性。...

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