地源熱泵系統(tǒng)各參數(shù)換熱性能敏感性分析

楊愛明 楊 水 向青青

(1.寧波大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315000； 2.寧波東源節(jié)能科技有限公司，浙江 寧波 315000)

地源熱泵系統(tǒng)各參數(shù)換熱性能敏感性分析

楊愛明1楊 水2向青青1

(1.寧波大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 寧波 315000； 2.寧波東源節(jié)能科技有限公司，浙江 寧波 315000)

采用敏感性分析法，探討了鉆孔間距、回填材料導(dǎo)熱系數(shù)、豎直管管內(nèi)流速三因素對(duì)地埋管換熱器換熱性能的相對(duì)影響程度，并給出了各因素的合理取值，為類似問題的研究奠定了基礎(chǔ)。

地埋管換熱器，鉆孔間距，回填材料，導(dǎo)熱系數(shù)，敏感性分析法

0 引言

影響地埋管換熱器傳熱性能的主要因素有鉆孔間距、回填材料導(dǎo)熱系數(shù)、豎直管管內(nèi)水流速、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、埋管進(jìn)口溫度、鉆孔深度等因素。當(dāng)項(xiàng)目確定后，土壤導(dǎo)熱系數(shù)、鉆孔深度、埋管進(jìn)口溫度可以作為固定值，而鉆孔間距、回填材料導(dǎo)熱系數(shù)、豎直管內(nèi)水流速三個(gè)參數(shù)則是可變的，直接與設(shè)計(jì)有關(guān)。因此，該三參數(shù)的設(shè)計(jì)取值直接關(guān)系到地埋管換熱器的性能，本文將采用敏感性分析方法，對(duì)該三參數(shù)變化對(duì)地埋管換熱器性能的影響進(jìn)行定量分析。

敏感性分析法是指從眾多不確定性因素中找出對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)有重要影響的敏感性因素，并分析、測(cè)算其對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度和敏感性程度，進(jìn)而判斷各不確定因素合理取值范圍的一種動(dòng)態(tài)不確定性分析方法。

1 初始條件設(shè)定

根據(jù)GB 50366—2005(2009版)地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范附錄B推薦的計(jì)算公式采用計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，并將豎直地埋管夏季單位延米換熱量作為換熱器換熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

地埋管運(yùn)行時(shí)間取值30 d，每天運(yùn)行8 h，土壤初始溫度及土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)取寧波市不同區(qū)域各測(cè)試點(diǎn)的平均值，具體設(shè)定參數(shù)為：夏季運(yùn)行份額0.33，制冷地埋管中傳熱介質(zhì)平均溫度32.5 ℃，制熱地埋管中傳熱介質(zhì)平均溫度7.5 ℃，U型管內(nèi)徑0.025 6 m，U型管外徑0.032 m，運(yùn)行時(shí)間3 240 000 s，短期脈沖負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行時(shí)間28 800 s，鉆孔直徑0.15 m，巖土體初始平均溫度19.4 ℃，土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)1.67 W/(m·K)。

2 敏感性分析

敏感度系數(shù)是評(píng)價(jià)指標(biāo)變化的百分率與不確定因素變化的百分率之比。敏感度系數(shù)高，表示評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)該不確定因素敏感程度高，應(yīng)重視該不確定因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。敏感度系數(shù)計(jì)算公式如下：

E=ΔA/ΔF。

其中，E為評(píng)價(jià)指標(biāo)A對(duì)于不確定因素F的敏感度系數(shù)；ΔA為不確定因素F發(fā)生變化時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)A的相應(yīng)變化率，%；ΔF為不確定因素F的變化率，%。E較大者敏感度系數(shù)高。其數(shù)值大小并不是計(jì)算該指標(biāo)的目的，重要的是各不確定因素敏感度系數(shù)的相對(duì)值，由此判斷各不確定因素的相對(duì)影響程度，以選出敏感度較大的不確定因素。

2.1 單位延米換熱量對(duì)埋管間距的敏感性分析

分析埋管間距對(duì)地埋管換熱器換熱性能影響時(shí)，設(shè)定灌漿材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.9 W/(m·K)，豎直埋管水流速度為0.6 m/s。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制埋管間距與單位延米換熱量敏感度系數(shù)曲線(見圖1)。

顯然，在埋管間距為4 m時(shí)，敏感度系數(shù)最大，為0.3，其后敏感度系數(shù)快速減小至0.04，表明在埋管間距4 m后，再繼續(xù)增加埋管間距對(duì)地埋管換熱器換熱性能影響很小。

2.2 單位延米換熱量對(duì)灌漿回填料導(dǎo)熱系數(shù)的敏感性分析

分析灌漿回填料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)地埋管換熱器換熱性能影響時(shí)，設(shè)定埋管間距為4 m，豎直埋管水流速度為0.6 m/s。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制灌漿回填料導(dǎo)熱系數(shù)與單位延米換熱量敏感度系數(shù)曲線(見圖2)。

顯然，隨著灌漿回填料導(dǎo)熱系數(shù)的增大，敏感度系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，但相對(duì)較為平穩(wěn)。由于灌漿回填料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)大于土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)，在寧波地區(qū)取值在1.7～2之間是比較合理的。

2.3 單位延米換熱量對(duì)豎直管管內(nèi)流速的敏感性分析

在分析豎直管管內(nèi)流速對(duì)地埋管換熱器換熱性能影響時(shí)，設(shè)定埋管間距為4 m，回填灌漿材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.9 W/(m·K)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制豎直管管內(nèi)流速與單位延米換熱量敏感度系數(shù)曲線(見圖3)。

顯然，隨著豎直管管內(nèi)流速的增大，敏感度系數(shù)除在0.3 m/s相對(duì)較大外，其余均恒定為0.015或0，也就是說地埋管換熱器換熱性能對(duì)管內(nèi)流速的敏感性很低，這是由于管內(nèi)流速僅與傳熱介質(zhì)與U形管的對(duì)流換熱熱阻有關(guān)，而對(duì)流換熱熱阻占系統(tǒng)總熱阻的比例很小所引起的。但是，由于流速的增加會(huì)直接導(dǎo)致地埋管系統(tǒng)阻力的增加，從而使系統(tǒng)能耗的增大，考慮到當(dāng)管內(nèi)流速為0.3 m/s時(shí)，水流已經(jīng)呈紊流狀態(tài)，因此，在室外埋管換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，管內(nèi)流速選用0.3 m/s是經(jīng)濟(jì)合理的。

2.4 單位延米換熱量對(duì)各參數(shù)的敏感性分析比較

根據(jù)圖1～圖3可見，單位延米換熱量對(duì)埋管間距的敏感度系數(shù)從0到0.3，平均值為0.096，單位延米換熱量對(duì)灌漿回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的敏感度系數(shù)從0.19到0.33，平均值為0.27，單位延米換熱量對(duì)豎直管管內(nèi)流速的敏感度系數(shù)從0到0.029 5，平均值為0.012。顯然，灌漿回填材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)地埋管換熱器換熱性能的影響最大，埋管間距的影響次之，豎直管管內(nèi)流速對(duì)其影響最小。

3 結(jié)語

根據(jù)以上分析，得出以下結(jié)論：

1)在埋管間距、灌漿回填材料導(dǎo)熱系數(shù)及豎直管管內(nèi)流速三個(gè)不確定因素中，對(duì)地埋管換熱器換熱性能的影響大小依次為：灌漿回填材料導(dǎo)熱系數(shù)>埋管間距>豎直管管內(nèi)流速；

2)在室外埋管場地許可的情況下，豎直地埋管換熱器埋管間距取4 m比較合適，繼續(xù)增加埋管間距對(duì)地埋管換熱器換熱性能影響較?。?/p>

3)灌漿回填材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)地埋管換熱器換熱性能影響很大，其選擇應(yīng)大于項(xiàng)目所在地土壤綜合導(dǎo)熱系數(shù)；

4)豎直管管內(nèi)流速對(duì)地埋管換熱器換熱性能影響很小，在室外埋管換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，管內(nèi)流速選用0.3 m/s是經(jīng)濟(jì)合理的。

[1] GB 50366—2005，地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(2009年版)[S].

[2] 徐 偉.地源熱泵工程技術(shù)指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[3] 楊強(qiáng)生，浦保榮.高等傳熱學(xué)[M].第2版.上海：上海交通大學(xué)出版社，2004.

The sensitivity analysis of heat transfer performance of each parameter of ground source heat pump system

Yang Aiming1Yang Shui2Xiang Qingqing1

(1.ArchitecturalDesignInstituteLimitedCompany,NingboUniversity,Ningbo315000,China;2.NingboDongyuanEnergySavingTechnologyLimitedCompany,Ningbo315000,China)

Using the sensitivity analysis method, this paper discussed the relation influence of borehole spacing, thermal conductivity of backfill material, vertical pipe flow rate three factors to the heat exchanger performance of ground heat exchanger, and gave the reasonable value of each factor, laid foundation for the research on similar problems.

ground heat exchanger, borehole spacing, backfill material, thermal conductivity, sensitivity analysis method

1009-6825(2017)05-0156-02

2016-12-10

楊愛明(1971- )，男，碩士，高級(jí)工程師

TU832.2

A