地源热泵设计研究：不同类型换热器的地源热泵系统

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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研究G.Yoon*1,K.Nakazawa*2,H.Niwa*3,H.Kitora*2,M.Okumiya*11.日本名古屋大学yoonq4@hotmail.com2.日本关西电力能源有限公司3.日株式会社建筑设计研究院摘要：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积极发展。然而，许多时候这种方法受制于建筑的结构。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

2、计过程和技术支持。1.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，能减少排到空气中的热量，可有效减少城市的热污染及热岛效应。尽管系统相对简单，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,Eugsteretal.1992).为了降低换热器费用，积极发展嵌入式换热管施工法，在这方面，提倡用现浇法和加入混合土墙法（soilmixi

3、ngwall,SMW）(Gao,Zhangetal.2008)。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决定的。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（soilmixingwall）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基础上，介绍和讨论如何设计地埋管换热器。2.系统概要图1显示研究中系统的布局。该系统由水源热泵设备和多个GHEs组成。7

4、图1：工程系统的分布示意图假设表1三种不同类型的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，以降低成本钻孔。最后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节有详细说明。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；桩基础类型；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部分热负荷决定。当热负荷已确定，就能确定热泵

5、设备热容量。此外，在此阶段，建议粗略的估计安装成本，建筑里GHEs数量上限。第2步：确定设计指标，全年COP，冷热季节理想的做法是，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。选定的系统应该是各系统中最便宜的。如果组合系统不满足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新确定。7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，不能简单的确定最适当的组合。因此，有必要制定一个简单的方法用于确定最合适的组合GHEs。3.

6、2模拟地源热泵系统模型3.2.1热泵模型供暖运行模式输出：Q=4.79×Tw+170.44（1）功率：W=0.22×Tw+49.89（2）制冷模式输出：Q=-1.47×Tw+208.58（3）功率：W=0.95×Tw+7.48（4）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

7、直径为20mm的PVC管，U形管横截面都转换成一个长方形，以简化模型和模拟(Yoonetal.,2006)。同时，转换后可避免改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周围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7除地埋管系统的顶部和底部取决于地面和地下100m深的情况外，所有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

8、室外的年平均气温。地下100m有效导热