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1、地源热泵设计：不同类型换热器的地源热泵系统争论G. Yoon*1, K. Nakazawa*2, H. Niwa*3, H. Kitora*2, M. Okumiya*1 1.日本名古屋大学yoonq4hotmail 2. 日本关西电力能源3. 日株式会社建筑设计争论院摘 要：为了提高地源热泵系统的普及率，有必要降低系统的初投资。因此，预先埋入热交换器以节约初投资的施工方法目前正在乐观进展。然而，很多时候这种方法受制于建筑的构造。当需安装的换热器多于此方法所支持的数目时，不同类型换热器的复合应用是一种很有用的方法。本文介绍了由水源热泵和不同类型换热器组成的地源热泵系统设计过程和技术支持。1.
2、介绍由水源热泵和不同类型换热器组成的地源热泵系统从土壤中取热或排热。通过从土壤中取热或排热， 其效率比空气源热泵高。所以，地源热泵系统能节约能源。此外，能削减排到空气中的热量，可有效削减 城市的热污染及热岛效应。尽管系统相对简洁，但打地埋管孔的费用较高，造成地源热泵系统初投资高。所以，如何降低这种系统的初投资是考虑的重点。最常见的是钻孔，包括打孔、埋入地埋管和回填。这种换热器打孔费用最高。(Rybach, Eugster et al. 1992).为了降低换热器费用，乐观进展嵌入式换热管施工法，在这方面，提倡用现浇法和参加混合土墙法soil mixing wall,SMW(Gao, Zhang
3、 et al. 2023)。然而，此法受限于安装该系统参数，这是由建筑物的大小和现状打算的。例如，一些 GHEs 可安装的数量受桩基的桩间距、数量和深度限制，以及混合土墙soil mixing wall长度的限制。在地源热泵对应某一特定建筑暖通空调系统中，不同类型的 GHEs地埋管换热器 和钻孔类型联合起来可以产生高效率。此外，联合应用时，它被认为是具有最好性价比的联合系统。本文在不同类型的地埋管交换器组合应用根底上，介绍和争论如何设计地埋管换热器。2. 系统概要图 1 显示争论中系统的布局。该系统由水源热泵设备和多个GHEs 组成 。1图 1 ：工程系统的分布示意图假设表 1 三种不同类型的
4、GHEs 都与热泵机组耦合。流行的钻孔型 GHE 由两个插入钻孔U 形管聚氯乙烯组成。此外， GHEs 的 SMW 工型使用混合土墙技术来安装U 形管，以降低本钱钻孔。最终方法包括利用现浇混凝土桩基。这些GHEs 耦合并行热泵设备。第 3.2 节有具体说明。表 1 ：三种类型的地埋管系统每一个单元的规格。SMW 类型串联连接的U 型循环；桩根底类型；8 个U 形管3. 地源热泵系统设计过程3.1 设计过程描述设计过程中的不同类型的GHEs 地热热泵系统如下。第 1 步：确定热负荷地源热泵系统热负荷由建筑的全部或局部热负荷打算。当热负荷已确定，就能确定热泵设备热容量。此外，在此阶段，建议粗略的估
5、量安装本钱，建筑里GHEs 数量上限。第 2 步：确定设计指标，全年COP，冷热季节抱负的做法是，地源热泵系统COP 等于或大于空气源热泵系统。第 3 步：设计GHEs 组合确定加上热泵的GHEs 组合能满足COP 目标。选定的系统应当是各系统中最廉价的。假设组合系统不满足COP 目标，则回到第一阶段，地埋管地源热泵系统的热负荷需重确定。第 4 步：验证设计系统用适当的方法确定地源热泵系统的实际COP，如数值模拟分析。然而，在上述设计过程中的第3 步，不能简洁确实定最适当的组合。因此，有必要制定一个简洁的方法用于确定最适宜的组合GHEs 。3.2 模拟地源热泵系统模型3.2.1 热泵模型供暖运
6、行模式输出：Q=4.79Tw+170.441 功率：W=0.22Tw+49.892制冷模式输出：Q=-1.47Tw+208.583 功率：W=0.95Tw+7.484 其中，Tw 是 GHEs 出口温度图 2 ：热泵设备性能假定热泵设备在额定输出模式下热源水量，加热/冷却恒定乙二醇溶液， 含量 20 。热泵的运行性能曲线如图 2 所示。通过GHEs 出口热源水温计算输出与热泵功率，从换热器流至热泵的水源导致运行效率的变化可看出来。3.2.2 地埋管换热器模型图 3 所示为三种类型 GHEs 模型。虽然各种地源热泵换热器都是直径为 20mm 的 PVC 管，U 形管横截面都转换成一个长方形，以简
7、化模型和模拟(Yoon et al.,2023)。同时，转换后可避开转变换热面积和管道水流量。此外，尽管8 个 U 形管在直径 2.2m 混凝土桩基外排列成一个圆形，管间距变化不大时，构建的模型可将其设为长方形。除 SMW 工法，GHEs 四周的地面在模型中是作为一个长方形计算域，长和宽20m 和深 100m，如图 4所示。图 3 ：三种类型的 GHEs 模型除地埋管系统的顶部和底部取决于地面和地下 100m 深的状况外，全部的边界条件均设定为绝热。公式中的热平衡计算域和地面如下所示。考虑了太阳辐射和长波辐射。假定底部温度稳定地保持在室外的年 平均气温。地下100m 有效导热系数是 1.75W
8、/mK，有效热容量是2366kJ/m3K 。在向地下排放的总热量与提取的热量之间存在差距，由以前的争论可知，这种系统运行三年后就能到达周期性热平衡。地下热平衡地面热平衡图 4 ：计算域设 SMW 型的地面计算域在X 轴为 3m 宽，由于 U 形管间距调整为 3m。此外，一面的计算域距机房0.8m，机房空气温度在任何时候都比室外高5 。3.2.3 计算过程计算过程如图 5 。经过计算得出热源水温在每个 GHE 出口的水温，流入热泵的水温，由流出 GHE 出口平均水温得到。然后，热泵消耗的电量和功率可以从热泵运行性能得到。接着，可计算出流回到 GHEs 的水温并用于GHE 计算模块。水温设定在-1
9、2C 和 52C 之间。假设水温在此范围外，热泵停顿运行。 在上述条件下进展仿真。进展初步的模拟后，全部的模拟运行时间为5 月 1 日至次年 4 月 30 日。热泵在 5 月 1 至 10 月 31 日制冷，在 12 月 1 日和 4 月 30 日之间供热。11 月停顿运行。除节假日，热泵每天在 10:0017 点 59 分之间运行，共八小时。图 5 ：计算过程基于如上所述数值模式，耦合 GHE 的热泵系统模拟如图 6 所示，这是设计组合 GHEs 所需要的。计算得到 GHE 单位传热率、GHE 出口季节性平均水温、热泵的COP，并绘制这些图表。4. 地源热泵系统设计实例和验证在本节中，实际G
10、HEs地埋管系统组合的设计条件表2 所示。表 2 ：实例设计条件满负荷50RT地源热泵热水源流量660lit/minT=5能安装的GHEs 的最大量安装费用钻孔：没有限制SMW：最多 20 组，桩埋管：最多 2组SMW桩埋管钻孔地源热泵的目标COP制冷COP：4.0供热COP：4.0第 1 步：确定热负荷地源热泵系统的热负荷为 50RT。第 2 步：确定的设计指标，全年COP，冷热季节 。要求制冷COP4.0,制热COP3.4。第 3 步：设计组合GHEs首先，从图 5 COP 为 4.0 的线可确定水流速 。这个例子说明，钻孔类型水的流速为 0.41m/s， SMW 类型 0.47 m/s，
11、C.P.类型 0.23 m/s，水流量分别为15.5 L/min， 8.85 L/min，和 35.0 L/min，此外，三种类型的 GHEs 季平均水温如下图。由于每个 GHE 水温几乎一样 33.5 C，可以说，这些有热泵的 GHEs在制冷季节可以供给温度约 33.5C 的水。这说明，该系统能满足制冷季节目标COP。此外，通过做垂直线与水流速度和 COP 线的交点，得到季节平均水温。温度分别是 2.59C ， 6.05C 和2.67C，季节平均 COP 为 3.6 ， 3.8 和 3.6 。相应的，流入热泵的季节平均温度处于 2.59 6.05C ， 制热季节平均COP 保持在 3.6 3
12、.8 。图 6 ：使用的设计图实例其结果是，各GHE 单位水流量分别为 15.5L/min ， 8.85 L/min，和 35.0 L/min，其水流量必需满足以下方程。在这里，Vtota是l热泵热水源水流量660L/min， N 为各GHE 对应的单元数量。因此，从SMW 和GHE 单位基桩C.P.数量，确定必要钻孔 GHE 的单位数量是 27 。第 4 步：验证所设计的系统用数值解析模型模拟设计系统的实际COP 结果如图 7 所示。平均制冷COP：4.05，制热COP：3.67， 结果说明设计的GHEs 组合系统满足目标COP。5. 结论图 7 ：实际 COP 仿真结果通过不同类型的 GH
13、Es 组合，能有效降低地源热泵系统初始本钱。本文给出了结合不同类型的GHEs的设计过程与图，以确定最适合的GHEs 组合，实现抱负的性能。参考文献：Gao, J., X. Zhang, et al. (2023). “Thermal performance and ground temperature of vertical pile-foundation heat exchangers: A case study.“ Applied Thermal Engineering28(17-18): 2295-2304.Rybach, L., W. J. Eugster, et al. (1992)
14、. “Borehole Heat Exchangers: Long-Term Operational Characteristics of a Decentral Geothermal Heating System.“ Geothermics21(5-6): 861-867.Yoon, G., Okumiya, M. et al., (2023). “STUDY ON GHP SYSTEM WITH A VERTICAL EARTH PIPE HEATEXCHANGER”, ECOSTOCK 2023, The Tenth International Conference on Thermal Energy Storage , Proceedings CD-ROM.术语：c : 比热容kJ/kgK, : 密度 kg/m3, : 温度 K, :导热系数 W/mK, t : 时间 Sec., J : 辐射强度W/m2, a :热集中率-, dn : 夜间辐射 W/m2, : 传热系数W/m.K, ：放射率 s: 土壤, ss : 地面翻译：余伟之；校对：放、赵继昌