地源热泵系统的模拟与设计

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1、参考文献<<地源热泵系统的模拟与设计>>摘要：总结了近年来地源热泵系统的模拟和设计方面的研究和进展。首先给出了地源热泵系统各部件建模方面的进展，包括竖直埋管地热换热器、单井循环系统以及在地源热泵混合系统中采用的几种辅助散热装置。其次，讨论现场测定深层岩土热物性的技术。第三，介绍竖直埋管地热换热器的设计方法。最后，给出在设计地源热泵系统中采用系统模拟的几个应用实例。关键词：热泵；地热换热器；热物性；混合系统；模型；设计；模拟1.简介从热力学的观点来看，在空调系统中利用地源热作为热源或者冷源是吸引人的

2、。这是因为，从全年来看，其温度比环境干球或湿球温度更接近于室内（所需要）的温度。基于这个原因，地源热泵系统较之空气源热泵系统在高效率上更具有潜力。在实际情况中，源热泵系统由于没有设备暴露在外部的环境中,花在维修方面的费用是比较低的(Cane,etal.1998).虽然已经有一些地源热泵系统技术在斯堪的那维亚半岛得到发展，但是其商业上的开发利用却是在美国做得最好。这是主要是因为在美国已经存在着一个很大的住宅空调系统市场。其系统由于有着较低的能耗和低运行费用已经证明吸引了很多业主。在美国很多地区用电峰

3、值取决于空调用电量。对于这个原因使得一些电力设备公司对这个系统很感兴趣,他们希望通过使用这样的系统来减少对电力的需求。一些小型商业机构和公共部门已经研究出这种技术的应用。地源热泵系统由于其较低的运行费用而吸引一些学校主管,并有越来越多的学校使用。在美国关于地源热泵技术实际应用的一些实例研究细节已经交给GHPC。在论文接下来的部分中我们首先会给出地源热泵系统各部件建模方面的进展，包括竖直埋管地热换热器、水源热泵、单井循环系统以及在地源热泵混合系统中采用的几种辅助散热装置。由于要设计地下换热器首先就要

4、了解地热的属性，这篇论文的第二部分简要介绍了确定深层岩土热物性的模型，这种方法是由对测试孔温度反应的现场测试法引申而来的。在论文的第三部分，将会介绍一下用软件来设计竖直埋管地热换热器的方法。最后，给出在设计地源热泵系统中采用系统模拟的几个应用实例，其中包括混合GSHP系统和防冻GSHP系统的设计。2.GSHP系统模型构成GSHP系统一般由水源热泵和地下换热器组成，对于混合GSHP系统，还包括几种辅助散热装置。这些模拟的设备在下面被覆盖。2.1闭循环地下换热器闭循环双管系统可采用水平埋管或垂直埋管。

5、垂直埋管系统由于其较高的换热效率而被人们较多的采用。这种类型的闭式循环换热器由一根根置入直径为75MM~150MM钻孔的U型管组成。这些钻孔在置入U型管后用钻出来的土回填或者，更普遍，整个孔都用薄泥浆填塞。灌浆通常是避免地下水的污染而且使换热管道与完全接触以达大良好的换热效果。常用于系统埋管的是直径为22MM~33MM的高密度聚乙烯管(HDPE)。打孔深度一般在30M~120M之间。两种模拟的复杂性很有意思。首先，测量地下换热器在单位时间内用户的最小输入的设计方法是可取的。其次，其能预测数小时内(

6、或较短的时距)由于建筑物负荷的连续变化对地下换热器造成何影响的模拟模式也是也是可取的。这一理论允许对系统能量消耗和用电需求预测。因为两者的方法以被Eskilson(1987)发展的模型为基础在这论文中呈现了,Eskison的方法将会首先被讨论,接着是对被Yavuzturk和Spitler发展的模拟模式的描述.(1999)2.1.1Eskison的研究方法Eskison(1987)针对地耦孔周围温度分布的确定问题的解决办法是采用逻辑分析和数学解析相结合的办法。对于初始条件和边界条件恒定的均匀土壤中的

7、单个地耦孔的相关数值建立径向-轴向坐标，使用瞬态有限差分方程进行二维数值计算。像管壁和泥浆等个别钻孔要素的热容量是被忽略的。单个钻孔的温度场通过重叠来获得整个钻孔范围。整个钻孔范围的温度回应被转换到一组非线性的温度反馈因数,被称做G-函数。这个G-函数使得与某一时间内的特定热量输入相应引起的地耦孔壁的温度变化情况的计算成为可能。一经钻孔范围的反馈对阶梯热量的反馈用G-函数来表示,任何的任意热反馈函数能被藉由在一系列的阶梯函数之上让热反馈/输出决定,而且叠加对每个梯度函数的反馈。这一过程对于四个月的

8、热反馈以图示的方法在图1中表示。基本的热脉冲（从零到）是指历经整个过程4个月后的热量峰值，其值=。次级脉冲=-，为3个月期间后的峰值。同理，=-为两个月期末峰值，最后，=-指一个月后的热量峰值。因此，任何时间地耦孔壁的温度都能够由这四个阶梯函数计算确定。从数学角度来看，在第n时期的末期，受位置因素影响的地耦孔壁的温度如下：其中:t=时间(s)H=孔井深度(m)k=岩土导热系数(W/(m.k))=孔井平均温度(℃)=岩土稳态温度(℃)Q=阶梯热反馈脉冲(W/m)=孔径(m)i=时间梯