上海地区地源热泵单U形地埋管换热器运行特性研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 3.63MB 87 页 15积分

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摘要

随着科学技术的不断进步，空调行业的不断发展，各种新型的热泵系统不断

出现。其中，利用地热能源越来越多，相关的一个热泵系统便应运而生-地源热

泵系统，该系统由于其自身的高效、节能、环保等一系列优良特性，近年来日益

得到人们广泛的重视。但是，在应用和推广这项高效节能的热泵关技术，最关键

的就是解决地下管井与土壤之间的传热问题。

针对地下埋管换热情况的研究，已经有很多的模型与算法，其中主要有两大

类：解析法和数值法，但各自都有缺陷，因此在研究地埋管与周围土壤换热过程

中，除了用软件辅助模拟传热过程外，更重要的是进行实测，揭示地源热泵在实

际运行过程中地下埋管与周围土壤之间的换热过程。

本文结合上海地区某工程实训中心地源热泵科研项目，建立地源热泵实验

台，用 GAMBIT 软件进行数学建模，用 FLUENT 软件进行三维传热和流动计算，

并进行冬夏季地埋管运行实验，揭示地埋管换热器在冬夏季的运行特性。

本文建立的地埋管模型主要为单 U型管，输入的参数均是根据实际情况所

输入的，虽然做了一些假设，与实际有一定的误差，但是结果均在实验结果的允

许误差以内。实验主要在所建立的地源热泵实验台上进行，冬夏季均是间歇性运

行，一天运行 8小时。实验过程中所用的温度测量仪器及流量测量均进行了校验，

确保实验的误差率。

本文模拟主要针对冬、夏季地源热泵运行时，地下不同深度土壤温度及同一

深度随着时间的温度变化及不同间距埋管区域两埋管井间的相干性影响。实验主

要分析了不同井数区域的地埋管换热器的换热量及单位井深的换热量；分析不同

间距地埋管区域的换热器中进出水温变化及地埋管区域不同深度土壤温度变化；

分析地源热泵在停机以后，地下不同深度土壤温度恢复情况；分析地源热泵运行

时，地源热泵机组本身的 COP 实时变化及整个系统的 COP 变化，通过以上相关

分析，得出单 U型地埋管换热器的换热性能及地源热泵系统的制冷、供暖特性，

提出了一些建议，供实际工程中参考及后续研究。

关键词：地源热泵单U型地埋管运行特性数值模型上海地区

ABSTRACT

With the development of science and technology, the air-conditioning industry

increasingly development, many new heat pump systems appear increasingly. The

geothermal energy is being used more and more, and a related heat pump

system ,called ground source heat pump system, is emerging. The system has received

widespread attention in recent years, for its high efficiency, energy saving,

environmental protection and several other excellent properties. However, a critical

problem of applying and promoting the high-efficiency and energy-saving heat pump

technology is the heating exchanging between underground pipe and soil surround.

Many models and algorithms about the underground heat exchanger have been

raised: analytic method and numerical method. None of the methods are perfect

enough when compared with the actual truth about the underground heating

exchanging when operating the ground source heat pump. In order to discover the real

process of heating exchange between the underground pipes and the soil around,

experiment is important when compared with the software simulation.

Based on a ground source heat pump project in Shanghai area, a ground heat

pump system is being established. GAMBIT software is being used for mathematical

modeling and FLUENT software is used to calculate the three-dimensional heating

transfer and flow. Experiments are being done to reveal characteristics of the

underground heat exchanger when operating the ground heat pump system in summer

and winter.

The input parameters of the model for a single U pipe are based on the actual

situation. The modeling results are localized within allowable error although some

assumptions are being made which will lead some errors compared with the reality.

The experiments are being made mainly on the ground source heat pump system,

whenever in winter or summer, 8 hours a day. Temperature and water flow measuring

instruments were all checked before using to ensure the measuring error.

The simulation in this paper is mainly for the soil temperature of different

underground depth and the same depth in different time when operating the ground

heat pump system in summer and winter. Besides, the coherence effect between the

two wells with different spacing is also simulated after operating the ground source

heat pump in a whole summer and winter. The experiments mainly analysis the

different area and unit well heating exchange, the water temperature of the input and

output ground heat exchange pipes and the soil temperature of different depth in

different spacing region, the soil temperature recovery of different depth after

stopping operating the ground source heat pump, the cop variation with the time of

ground source heat pump and the whole system. By the analyzation above, a

conclusion can be reached that the cooling and heating characteristics of single

ground U-tube heat exchanger, some suggestions will be also put forward for the

following research in practical engineering to refer.

Key Word: Ground heat pump system, Single ground U pipe,

Operating characteristics, Numerical model, Shanghai District

中文摘要

ABSTRACT

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

1.1 课题研究背景 ..................................................................................................... 1

1.2 地源热泵原理及发展 ......................................................................................... 2

1.3 地埋管换热器国内外研究现状 ......................................................................... 3

1.4 本课题研究目的 ................................................................................................. 5

1.5 本课题研究内容 ................................................................................................. 5

第二章地源热泵系统建筑物冷热负荷变化特性...................................................... 7

2.1 不同建筑物的负荷特性 ..................................................................................... 7

2.2 建筑物概况 ......................................................................................................... 7

2.3 工程实训中心全年负荷模拟 ............................................................................. 8

2.3.1 建立建筑物模型........................................................................................... 8

2.3.2 上海地区全年室外温湿度变化................................................................... 8

2.3.3 上海地区全年舒适区域分析....................................................................... 9

2.3.4 建筑物模型全年负荷................................................................................. 11

2.4 本章小结 ........................................................................................................... 12

第三章地埋管换热器理论及模拟............................................................................ 13

3.1 地埋管换热器传热模型 ................................................................................... 13

3.1.1 钻孔内传热模型......................................................................................... 13

3.1.1.1 一维导热模型 ...................................................................................... 13

3.1.1.2 二维导热模型 ...................................................................................... 14

3.1.1.3 单U型准三维模型 ............................................................................. 16

3.1.2 钻孔外传热模型......................................................................................... 18

3.1.2.1 一维无限长线热源传热模型 .............................................................. 18

3.1.2.2 一维圆柱孔热源传热模型 .................................................................. 19

3.1.2.3 有线长线热源模型 .............................................................................. 19

3.1.2.4 有限长圆柱面热源模型 ...................................................................... 20

3.2 地埋管数值法简介 ........................................................................................... 21

3.2.1 有限差分法................................................................................................. 21

3.2.2 有限元法..................................................................................................... 22

3.2.3 有限容积法................................................................................................. 22

3.3 单U型地下埋管数学模型 ............................................................................ 22

3.4 垂直单 U型地埋管换热器模型 ...................................................................... 23

3.4.1 土壤初始温度............................................................................................. 23

3.4.2 垂直单 U型地埋管模型建立 .................................................................... 24

3.4.2.1 物理模型 .............................................................................................. 24

3.4.2.2 模型简化条件 ...................................................................................... 24

3.4.2.3 模型网格划分 ...................................................................................... 24

3.4.2.4 边界条件 .............................................................................................. 25

3.4.3 FLUENT 数学模型求解 ............................................................................. 26

3.4.3.1 选择模型 .............................................................................................. 26

3.4.3.2 设置步长 ............................................................................................ 27

3.4.3.3 求解框图 ............................................................................................ 27

3.4.4 模型输入参数 ............................................................................................ 28

3.5 本章小结 ........................................................................................................... 28

第四章单U形地埋管地源热泵实验台设计 ........................................................... 29

4.1 工程实训建筑物全年动态冷、热负荷 ........................................................... 29

4.2 空调设备选型 ................................................................................................... 29

4.3 实验台概况 ....................................................................................................... 31

4.4 地埋管设计 ....................................................................................................... 33

4.4.1 地埋管换热器负荷的确定......................................................................... 33

4.4.2 地埋管回路形式......................................................................................... 33

4.4.3 水平间距..................................................................................................... 34

4.4.4 管材的选用................................................................................................. 34

4.4.5 地埋管换热器尺寸设计............................................................................. 35

4.4.5.1 土壤热物性 .......................................................................................... 35

4.4.5.2 单位井深换热量 .................................................................................. 35

4.4.5.3 埋管管数及管径 .................................................................................. 36

4.4.5.4 水力平衡 ............................................................................................... 36

4.4.6 地埋管换热器施工..................................................................................... 37

4.5 本章小结 ........................................................................................................... 38

第五章地埋管换热器运行特性研究实验方案........................................................ 40

5.1 实验目的 ........................................................................................................... 40

5.2 实验数据采集内容 ........................................................................................... 40

5.3 实验测量系统 ................................................................................................... 40

5.3.1 实验温度测点............................................................................................. 40

5.3.2 温度测点布置............................................................................................. 41

5.3.3 流量测点布置............................................................................................. 42

5.4 实验采集系统 ................................................................................................... 42

5.5 数据处理方法 ................................................................................................... 43

5.6 本章小结 ........................................................................................................... 44

第六章实验数据处理与分析.................................................................................... 45

6.1 夏季实验分析 ................................................................................................... 45

6.1.1 夏季地源热泵运行室内外温度................................................................. 45

6.1.2 地源热泵未运行时，地下不同深度土壤温度变化................................. 46

6.1.2 夏季地源热泵运行时不同深度土壤温度场分布..................................... 46

6.1.2.1 地埋管井 A、B、C三块区全开启，地下不同深度土壤温度 ........ 46

6.1.2.2 地埋管井 A、C区开启 B区关闭时，地下不同深度土壤温度 ...... 49

6.1.3 夏季地源热泵运行时地埋管进出口水温变化......................................... 50

6.1.4 夏季地源热泵运行时，A区域地下 50m 处进出管径向温度................ 51

6.1.5 夏季地源热泵停机后地下水温变化......................................................... 52

6.1.6 夏季地埋换热器换热量............................................................................. 53

6.1.7 夏季地源热泵循环性能............................................................................. 55

6.2 冬季实验分析 ................................................................................................... 57

6.2.1 冬季地源热泵运行室内外温度................................................................. 57

6.2.2 冬季地源热泵运行下的地下不同深度的土壤温度场分布..................... 57

6.2.2.1 地埋管井 A、B、C三区全开启时，地下不同深度土壤温度 ........ 57

6.2.2.2 地埋管井 A、C区开启 B区关闭时，地下不同深度土壤温度 ...... 58

6.2.3 冬季地源热泵运行时地埋管进出口水温变化......................................... 60

6.2.3.1 地埋管井 A、B、C三块区域全开启时，地埋管进出口水温 ........ 60

6.2.3.2 地埋管井 A、C区域开启，B区域关闭时，地埋管进出口水温 ... 61

6.2.4 冬季地源热泵运行时，A区域地下 50m 进出管径向温度.................... 61

6.2.5 冬季地源热泵停机后地下水温变化.......................................................... 62

6.2.6 冬地埋换热器换热量.................................................................................. 63

6.2.7 冬季地源热泵循环性能.............................................................................. 63

6.3 本章小结 ........................................................................................................... 64

第七章模拟与实验结果对比分析............................................................................ 68

7.1 模型实验验证 ................................................................................................... 68

7.1.1 实验简介..................................................................................................... 68

7.1.2 验证目的..................................................................................................... 68

7.1.3 模拟与实验结果比较.................................................................................. 68

7.2 模拟结果分析 .................................................................................................... 69

7.2.1 夏季地源热泵运行时，地下土壤温度变化模拟..................................... 69

7.2.2 夏季地源热泵运行时，不同间距管井之间温度相干性影响.................. 70

7.2.3 冬季地源热泵运行时，地下土壤温度变化模拟...................................... 71

7.2.4 冬季地源热泵运行时，不同间距管井之间温度相干性影响.................. 71

7.3 模拟与实验结果对比分析 ............................................................................... 72

7.3.1 夏季地源热泵运行，地下土壤温度模拟值与实验值对比分析............. 72

7.3.2 冬季地源热泵运行，地下土壤温度模拟值与实验值对比分析............. 73

7.4 本章小结 ............................................................................................................ 74

第八章结论与建议.................................................................................................... 76

8.1 本文结论 ........................................................................................................... 76

8.2 相关建议 ........................................................................................................... 77

参考文献......................................................................................................................79

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果..........................................83

致谢..............................................................................................................................84

第一章绪论

1.1 课题研究背景

近年随着社会的不断发展，人们对室内环境质量的要求也不断提高，从而导

致建筑物能耗不断增加。根据相关数据统计，建筑耗能约占社会总耗能比例的

27.8%，其中空调能耗约占建筑总能耗的65%[1]。为此人们积极探索研究建筑节

能新技术、寻找建筑节能新产品，以期能够找到新技术，降低建筑使用能耗。随

着研究的不断开展，人们发现可以通过相关手段将浅层地下土壤热能用于建筑物

内的采暖制冷，于是地源热泵这门新型技术应运而生。该技术具有节能、高效、

环保等特征[2-3]，地热能的利用不仅能够减少一次性能源的消耗，同时可以减少

温室气体排放量[4]，减轻国家的能源、环境压力，可见地源热泵系统的推广对于

解决能源紧缺、环境污染等问题有着重要的意义[5]。

1995 年，美国制冷协会（ASHRAE）将地源热泵分为三大类[6]，分别为土

壤源耦合热泵（Ground-Coupled Heat Pump，GCHP）、地表水源热泵（Surface Water

Heat Pump，GWHP）和地下水源热泵（Ground Water Heat Pump，GWHP）。由

于地表水、地下水的回灌技术问题目前还不够成熟，导致地表水、地下水源热泵

的进一步应用不得不暂停，但这些问题并未影响土壤源热泵系统，该系统以其节

省常规系统冷却塔耗水量，运行费用低，不产生任何有害物质，对环境无污染等

特点备受专家学者关注[7]。

进行土壤源热泵系统设计时，地下埋管换热器设计的好坏将会直接影响土壤

源热泵系统的初始投资及日后运行时的性能、运行寿命及费用等。设计好的埋管

换热器会具有非常好的换热性能，可使热泵系统具有相对高的运行能效比，并且

可以减少运行费用，热泵系统运行寿命增加，系统除投资也会减少。若地下埋管

换热器设计的不合理，则会增加地源热泵系统的初投资，降低系统的运行效率，

缩短系统使用寿命。综上，地埋管换热器设计的合理与否将会直接影响整个系统

的运行性能等诸多方面。

埋管换热器换热能力、周围土壤温度场、系统冷热负荷平衡对埋管换热器的

合理设计非常重要[8]。目前，设计者通常会选用土壤平均导热系数对地埋管换热

器进行换热量的计算，然而土壤导热系数会受到很多因素的影响，如土壤温度场

情况，土壤含水量，土壤所在地的地质条件、气候等。目前由于对土壤热物性以

及实际运行时地埋管土壤温度场的研究存在明显的不足，从而直接导致对土壤换

热器长期的换热性能预测将会不准确。在实际的一些土壤源热泵项目中，会热泵

在使用年限内，出现地下埋管换热器周围土壤温度的上下浮动范围超出设计范

围，直接导致换热器能力下降，最终使土壤源热泵系统因地下埋管换热量的不足

而失去应有的功效。因此，进一步对地源热泵地下埋管周围温度场的分布规律及

上海地区单 U型地埋管换热器运行特性研究

其换热器换热特性展开研究是非常重要和必要的。

上海地区地下土壤的砂性土含量多在 50%以上，主要以粘土和砂土为主，有

利于地源热泵地下换热器的施工，也有利于地下换热器的传热、地源热泵系统的

运行；导热系数高，有利于土壤热量消散。上海地区地下水含量丰富，土壤温度

平衡能力较强[9,10]。但是在上海地区，仍然没有地源热泵地下埋管换热特性的具

体分析研究。。

本文针对上海地区某一地源热泵地下埋管换热器进行了理论模拟，获得地下

埋管的传热特性与土壤温度的变化；通过实验研究，对垂直埋管式地源热泵系统

地埋管换热器进行了分析，从而为地源热泵技术在上海地区的应用起到了一定的

推动作用，为地源热泵地埋管换热器在上海地区的设计提供一定的理论参考。

1.2 地源热泵原理及发展

地源热泵主要可分为地下水源热泵，地表水源热泵及土壤源热泵。本文研究

的主要为土壤源热泵。因此这里以土壤源热泵为例，阐述地源热泵工作原理。土

壤源热泵的工作原理通俗点来说，就是利用热泵系统管中介质（通常是水）实现

建筑物与地下土壤之间的冷热交换。在夏季，通过管中介质循环将建筑物内热量

送到地下，冬季通过管中介质循环将地下热量送到建筑物内，地下土壤在夏季和

冬季分别充当着―冷源‖和―热源‖。热泵原理图如图 1-1、图 1-2 和图 1-3 所示。

图1-1 地源热泵原理图

图1-2 地源热泵夏季室外循环图图1-3 地源热泵冬季室外循环图

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摘要随着科学技术的不断进步，空调行业的不断发展，各种新型的热泵系统不断出现。其中，利用地热能源越来越多，相关的一个热泵系统便应运而生-地源热泵系统，该系统由于其自身的高效、节能、环保等一系列优良特性，近年来日益得到人们广泛的重视。但是，在应用和推广这项高效节能的热泵关技术，最关键的就是解决地下管井与土壤之间的传热问题。针对地下埋管换热情况的研究，已经有很多的模型与算法，其中主要有两大类：解析法和数值法，但各自都有缺陷，因此在研究地埋管与周围土壤换热过程中，除了用软件辅助模拟传热过程外，更重要的是进行实测，揭示地源热泵在实际运行过程中地下埋管与周围土壤之间的换热过程。本文结合上海地区某工程实训中...

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