齊 子 姝

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118)

0 引言

地埋管地源熱泵系統(tǒng)可高效利用可再生能源,是建筑節(jié)能的有效方法和重要途徑.豎直式地埋管換熱器系統(tǒng)作為暖通空調(diào)系統(tǒng)的一種形式,除了冷熱負(fù)荷極不平衡地區(qū),可有效解決建筑物冷熱負(fù)荷互補(bǔ).目前我國積極推廣應(yīng)用可再生能源,地源熱泵系統(tǒng)作為我國可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃目標(biāo)[1],預(yù)計(jì)2015年利用面積將達(dá)到5億m2,可積極改變能源結(jié)構(gòu).本文通過研究地埋管換熱器出口流體溫度對系統(tǒng)換熱器長度、埋管內(nèi)流體溫度及熱泵耗功量的影響規(guī)律,為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行預(yù)測提供途徑,以利于更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐.

1 地埋管換熱器出口流體溫度計(jì)算

本文利用Matlab/Simulink模擬平臺自建地源熱泵系統(tǒng)仿真計(jì)算模塊,圖1為地埋管出口流體溫度計(jì)算原理圖.通過輸入地埋管換熱器相關(guān)參數(shù)及巖土熱物性參數(shù),利用地源熱泵換熱器G函數(shù)理論,可參見[2][3],設(shè)定建筑物負(fù)荷,計(jì)算換熱器孔壁溫度和地埋管換熱器孔內(nèi)熱阻(包括回填材料熱阻、地埋管內(nèi)對流換熱和導(dǎo)熱熱阻),輸出地埋管換熱器進(jìn)出口流體平均溫度和出口流體溫度.

圖2為長春市某綜合建筑全年逐時(shí)負(fù)荷,本文設(shè)計(jì)地埋管地源熱泵系統(tǒng)為該建筑冬季供熱,夏季制冷,在該負(fù)荷下運(yùn)行20年,分析地埋管換熱器出口流體溫度設(shè)定最低值為0℃,-4℃,-6℃,-10℃時(shí),對換熱器孔深、埋管內(nèi)流體溫度及熱泵耗功量的影響特性.

圖1 計(jì)算原理

圖2 建筑物負(fù)荷

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 孔深度

圖3 設(shè)計(jì)孔深度

長春市位于嚴(yán)寒地區(qū),建筑物冬季熱負(fù)荷大于夏季冷負(fù)荷,一般地埋管內(nèi)流體溫度逐年降低.地埋管內(nèi)流體設(shè)定的最低溫度限定換熱器孔深度直接決定初投資和設(shè)備使用壽命.出口流體設(shè)定溫度值越低,設(shè)計(jì)孔深越小,初投資越小;設(shè)計(jì)孔深相同時(shí),溫度設(shè)定值越低,設(shè)備使用壽命越長.圖3為地埋管換熱器設(shè)計(jì)孔深與出口流體溫度設(shè)定最低值關(guān)系圖.當(dāng)出口流體溫度設(shè)定值由0℃降低至-10℃時(shí),地埋管設(shè)計(jì)孔深由173m減少至87m,減小近一半,可大大降低初投資.當(dāng)然埋管內(nèi)流體中需加入一定防凍劑必然增加運(yùn)行費(fèi)用,但仍有利于初投資的降低.

2.2 流體溫度

地源熱泵系統(tǒng)地埋管出口流體設(shè)定最低溫度值分別為0℃,-4℃,-6℃,-10℃,采用圖3相應(yīng)的設(shè)計(jì)孔深度,圖4為系統(tǒng)運(yùn)行20年,埋管內(nèi)流體的月平均溫度.由圖4可見,由于建筑物冬季熱負(fù)荷較大,運(yùn)行周期內(nèi)流體溫度成周期性不斷下降.當(dāng)流體出口溫度最低值設(shè)定為-10℃時(shí),孔深度最小,埋管內(nèi)流體溫度越低,運(yùn)行20年,流體月平均溫度的最低值為-7.74℃.

圖4 流體平均溫度

2.3 耗電量

地源熱泵系統(tǒng)地埋管出口流體設(shè)定最低溫度值分別為0℃,-4℃,-6℃,-10℃,采用圖3相應(yīng)的設(shè)計(jì)孔深度,圖5為系統(tǒng)運(yùn)行20年內(nèi)熱泵逐年耗電量.由圖5可見,由于建筑物冬季熱負(fù)荷較大,地埋管內(nèi)流體溫度下降,熱泵機(jī)組耗電量不斷增大，且最低值設(shè)定越低,孔深越小,埋管內(nèi)流體溫度越低,運(yùn)行20年 ,熱泵機(jī)組耗電量增加越多.

圖5 耗電量

3 結(jié)論

本文通過研究地源熱泵地埋管換熱器計(jì)算模型,計(jì)算換熱器出口流體溫度,分析地埋管換熱器出口流體溫度對系統(tǒng)換熱器長度、埋管內(nèi)流體溫度及熱泵耗功量的影響規(guī)律,為地源熱泵實(shí)際工程計(jì)算奠定理論基礎(chǔ).

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 彭源長.可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃發(fā)布[N].中國電力報(bào),2012-08-08.

[2] Xiaowei Xu.Simulation and optimal control of hybrid ground source heat pump systems,PhD Dissertation[D].Oklahoma State University,Oklahoma,USA,2007.

[3] 齊子姝,高 青,于 鳴,劉 研,白 莉.巖土地下?lián)Q熱器熱泵系統(tǒng)長期運(yùn)行預(yù)測分析方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2012,42(4):877-881.