地源熱泵可持續(xù)設(shè)計方法

王琬

摘要：本文將模擬仿真技術(shù)與地源熱泵傳統(tǒng)設(shè)計標準GB 50366-2009 《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》結(jié)合，提出地源熱泵可持續(xù)設(shè)計方法。運用ANSYS Workbench仿真軟件對地源熱泵進行建模及結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬，獲取推薦設(shè)計參數(shù)范圍，并以貴陽市某別墅小區(qū)地源熱泵設(shè)計為例：推薦鉆孔間距為4～6 m，鉆孔孔徑為0.13～0.19 m，回填料導(dǎo)熱系數(shù)范圍為2～3 W·m-1·K-1，而管徑選取需根據(jù)不同工況綜合考慮。

關(guān)鍵詞：可持續(xù)設(shè)計;地源熱泵;地埋管;鉆孔

中圖分類號：TU831.4

文獻標識碼： A

可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵組成部分是將在制造業(yè)中啟用集成可持續(xù)性[1]?？沙掷m(xù)制造定義為采用無污染，節(jié)約能源與自然資源，對員工，社會和消費者均經(jīng)濟、安全的過程制造產(chǎn)品[2]，其中可持續(xù)過程設(shè)計模塊作為可持續(xù)發(fā)展的重用組成部分，包含設(shè)備設(shè)計的核心元素。地源熱泵是陸地淺層能源通過輸入少量的高品位能源（如電能）實現(xiàn)由低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移的設(shè)備[3]，具有環(huán)保、高效、節(jié)能、污染小、維護簡單的特點，有利于綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。

HZOELLY于1912 年在瑞士提出地源熱泵概念[4]，進入90 年代后，地源熱泵的應(yīng)用進入了一個蓬勃發(fā)展發(fā)展的時期[7]。1993年成立了國際土壤源熱泵協(xié)會，1996年該協(xié)會推出了專門報道地源熱泵研究的期刊和網(wǎng)上雜志，地源熱泵要開始應(yīng)用于大型的商業(yè)建筑等[5]。根據(jù)PIKERESEARCH 研究的報告，地源泵的銷量將在未來幾年呈快速增長態(tài)勢，美國年銷量預(yù)計將從2011 年的15萬臺套快速增長到2017年的32.6 萬臺套，據(jù)預(yù)測，全球直接使用地?zé)岬膽?yīng)用量到2017 年將增長至179%[6]。

通常情況下，使用標準GB 50366-2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》進行設(shè)計，設(shè)計裕度較大，不利于可持續(xù)發(fā)展。國內(nèi)學(xué)者對地埋管地源熱泵技術(shù)的研究主要集中在以下方面[7]：復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)[8-9]，地埋管壁厚對地源熱泵運行的影響[10]，管群間歇運行對土壤溫度的影響[11]，地源熱泵U型管換熱器的傳熱模型[12-14]，地埋管換熱器的傳熱模擬[15-17]，地埋管壁厚對地源熱泵運行的影響[18]。

地源勢泵核心問題是傳熱模型的分析，說明換熱性能將直接影響地源熱泵的經(jīng)濟性和技術(shù)性能。土壤中的地埋管形式、埋管深度、管內(nèi)循環(huán)水流速、土壤初始溫度、運行模式等都是影響地源熱泵性能的主要因素[19-20]。其中最為關(guān)鍵的因素是管材的導(dǎo)熱熱阻、封井材料的導(dǎo)熱熱阻和管內(nèi)循環(huán)液的性質(zhì)[21]。傳熱可分為鉆孔內(nèi)部傳熱和鉆孔外部傳熱[22]。其傳熱過程可以描述為：地埋管內(nèi)循壞水與地埋管內(nèi)壁的對流換熱過程、地埋管壁內(nèi)的導(dǎo)熱過程、地埋管外壁與回填材料之間的傳熱過程、回填材料內(nèi)部的導(dǎo)熱過程、回填材料與鉆孔壁之間的傳熱過程、鉆孔周圍土壤的導(dǎo)熱過程[23]。

1工作流程

工作時，地埋管1內(nèi)的循環(huán)水在循環(huán)水泵8作用下，分別進入冷凝器5（加熱工況）或蒸發(fā)器3（制冷工況），當循環(huán)水溫達到工作要求，進入末端裝置6，參與室內(nèi)空氣循環(huán)，當溫度改變后，再次循環(huán)至地埋管，實現(xiàn)地源熱泵功能。

2地源熱泵可持續(xù)設(shè)計方法

地源熱泵可持續(xù)設(shè)計方法，根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計（或?qū)嶋H施工）手冊，基本參數(shù)指導(dǎo)下進行設(shè)計，根據(jù)所設(shè)計數(shù)據(jù)，建立模型，再針對模型進行仿真模擬，優(yōu)化參數(shù)范圍，在對模型修改。最終由最小化固定投資或最下年操作費用等目標條件下獲取最優(yōu)地源熱泵設(shè)計，本設(shè)計方法僅為初始結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于進一步地源熱泵細節(jié)設(shè)計，如技術(shù)經(jīng)濟分析，可持續(xù)性分析，安全分析等，需進行進一步細節(jié)設(shè)計。

3設(shè)計基本參數(shù)

針對貴陽市的某一小型別墅，戶主要求采用地源熱泵系統(tǒng)。該建筑物的面積為600 m2，建筑物周圍有較大的埋管面積，而且取水方便。

根據(jù)地歷年的水文、氣溫，取設(shè)計條件及工程參數(shù)，設(shè)計條件及工程參數(shù)如表1所示。

所設(shè)計地源熱泵參數(shù)如表2所示。

4實例仿真結(jié)果及說明

采用ANSYS Workbench的Steady￣State Thermal（穩(wěn)態(tài)溫度模擬）、Transient Thermal（瞬態(tài)溫度模擬）模塊對地源熱泵地埋管的相關(guān)設(shè)計參數(shù)進行模擬分析。模擬過程中進行了以下簡化：把單U型管視為一當量直管;循環(huán)水水體溫度均一為平均溫度;忽略土壤與大氣的換熱;回填材料外壁的溫度為均勻定值。模擬步驟如下：（1）設(shè)置物性參數(shù);（2）建模，在DesignModeler中根據(jù)尺寸建立三維幾何模型;（3）網(wǎng)格劃分;（4）載荷;（5）求解;（6）結(jié)果和后處理。

地源熱泵工作過程中模擬參數(shù)如表3所示。

4.1鉆孔間距變化對土壤外側(cè)溫度的影響

熱泵工作屬性模擬參數(shù)，如表2所示，在加熱工況及制冷工況下，研究管間距改變，對土壤外側(cè)溫度的影響，其結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可知：在模擬范圍內(nèi)，隨著鉆孔間距增大，換熱效果越好;鉆孔間距為1～3 m時，溫度梯度較小，鉆孔間距為3～7 m時，梯度較大。加熱工況時，鉆孔間距從1 m增加到7 m時，土壤外側(cè)溫度由6.500℃降低到13.533℃;制冷工況時，鉆孔間距從1 m增加到7 m時，土壤外側(cè)溫度由3250℃降低到20.31℃。因此在實際工程允許的情況下應(yīng)選取較大的鉆孔間距。結(jié)合設(shè)計手冊，本實例中推薦的鉆孔間距為4～6 m。

4.2鉆孔孔徑變化對回填料內(nèi)壁溫度的影響

通過改變鉆孔孔徑模擬回填材料的溫度分布云圖，分析地源熱泵U型管換熱器的換熱效果受鉆孔間距的影響。GB 50366—2009中規(guī)定鉆孔的最小間距為0.11 m，綜合考慮成本及施工，擬孔徑范圍Db為0.11～0.25 m，分別在加熱、制冷工況下進行模擬。

由圖4中可知，在模擬范圍內(nèi)，鉆孔孔徑越小越好，但是孔徑過小，不利于施工;推薦的鉆孔孔徑為0.13～0.19 m。加熱工況時，鉆孔孔徑由0.07 m變化至0.25 m，回填料內(nèi)壁溫度由13.19℃降低到10.25℃。當鉆孔孔徑為0.07 m時，回填料內(nèi)壁溫度最高，有利于管內(nèi)循環(huán)水的吸熱。制冷工況時，鉆孔孔徑由0.07 m變化至0.25 m，回填料的內(nèi)壁溫度由20.84℃升高到26.18℃;當鉆孔孔徑為007 m時，回填料內(nèi)壁溫度最低，為20.84℃，有利于地埋管內(nèi)循環(huán)水放熱。

4.3回填材料導(dǎo)熱系數(shù)變化對內(nèi)壁溫度的影響

由圖5可以看出，回填料導(dǎo)熱系數(shù)越大，越利于地埋管換熱器的換熱。加熱工況時，回填料導(dǎo)熱系數(shù)從0.5 W·m-1·K-1變化到3.5 W·m-1·K-1，回填料內(nèi)壁溫度從7.95℃升高到11.75℃;制冷工況時，回填料導(dǎo)熱系數(shù)從0.5 W·m-1·K-1變化至3.5 W·m-1·K-1，回填料的內(nèi)壁溫度從29.97℃降低到23.37℃。在實際應(yīng)用中，應(yīng)采用導(dǎo)熱系數(shù)大的回填材料?；靥畈牧蠈?dǎo)熱系數(shù)改變可通過配比回填料成分實現(xiàn)，GB50366—2009中所給出配比的回填料導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0.73～2.42 W·m-1·K-1。推薦使用的回填料導(dǎo)熱系數(shù)范圍為2～3 W·m-1·K-1，但必須注意，回填料導(dǎo)熱系數(shù)必須大于周圍土壤的導(dǎo)熱系數(shù)。

4.4地埋管管徑變化對管壁溫度影響

在制冷工況下由圖6可以看出：隨著地埋管管徑增大，PE管內(nèi)壁溫度變化不明顯，而外壁溫度逐漸增加; 當管徑由20 mm增加到50 mm時，內(nèi)壁溫度由32.47℃升高到32.49℃，變化不明顯，而外壁溫度由25.97℃降低到22.78℃。

當管徑由20 mm增加到50 mm時，加熱工況下，內(nèi)外管壁溫差由3.75℃增加到5.58℃;制冷工況下，內(nèi)外管壁溫差由6.51℃增加到10.70℃。隨著管徑的增大，在地埋管管內(nèi)散失的熱量增多，有利于管內(nèi)循環(huán)水的放熱，在實際工程中取大管徑，同時要綜合考慮成本的問題。

在加熱工況下取小管徑，而在制冷工況下要取大管徑，當熱泵機組一機兩用時要綜合考慮，取適中的管徑。

5結(jié)論與展望

地源熱泵（GSHP）作為一種高效，可再生能源技術(shù)用于空間加熱和冷卻，該技術(shù)將大地視為恒溫體，在冬季實現(xiàn)加熱，夏季實現(xiàn)冷卻功能。由于其可降低能源消耗及溫室氣體排放而備受關(guān)注。中國的目標為實現(xiàn)為地?zé)崽娲偃f噸標準煤，為獲取更為有效的系統(tǒng)優(yōu)化性能，本文提出了一種地源熱泵的可持續(xù)性設(shè)計方法，運用模擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)其相關(guān)結(jié)構(gòu)性能指標參數(shù)選取。其相關(guān)制造成本及操作運行費用可進一步使用優(yōu)化設(shè)計加以實現(xiàn)。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）