地源熱泵可持續(xù)設(shè)計(jì)方法

摘要：本文將模擬仿真技術(shù)與地源熱泵傳統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)方法。運(yùn)用ANSYS Workbench仿真軟件對(duì)地源熱泵進(jìn)行建模及結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬，獲取推薦設(shè)計(jì)參數(shù)范圍，并以貴陽(yáng)市某別墅小區(qū)地源熱泵設(shè)計(jì)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(jì);地源熱泵;地埋管;鉆孔

中圖分類(lèi)號(hào)：TU831.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(wú)污染，節(jié)約能源與自然資源，對(duì)員工，社會(huì)和消費(fèi)者均經(jīng)濟(jì)、安全的過(guò)程制造產(chǎn)品[2]，其中可持續(xù)過(guò)程設(shè)計(jì)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(jì)的核心元素。地源熱泵是陸地淺層能源通過(guò)輸入少量的高品位能源（如電能）實(shí)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(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，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(jìn)入90 年代后，地源熱泵的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展發(fā)展的時(shí)期[7]。1993年成立了國(guó)際土壤源熱泵協(xié)會(huì)，1996年該協(xié)會(huì)推出了專(zhuān)門(mén)報(bào)道地源熱泵研究的期刊和網(wǎng)上雜志，地源熱泵要開(kāi)始應(yīng)用于大型的商業(yè)建筑等[5]。根據(jù)PIKERESEARCH 研究的報(bào)告，地源泵的銷(xiāo)量將在未來(lái)幾年呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，美國(guó)年銷(xiāo)量預(yù)計(jì)將從2011 年的15萬(wàn)臺(tái)套快速增長(zhǎng)到2017年的32.6 萬(wàn)臺(tái)套，據(jù)預(yù)測(cè)，全球直接使用地?zé)岬膽?yīng)用量到2017 年將增長(zhǎng)至179%[6]。

通常情況下，使用標(biāo)準(zhǔn)GB 50366-2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)裕度較大，不利于可持續(xù)發(fā)展。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(duì)地源熱泵運(yùn)行的影響[10]，管群間歇運(yùn)行對(duì)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(duì)地源熱泵運(yùn)行的影響[18]。

地源勢(shì)泵核心問(wèn)題是傳熱模型的分析，說(shuō)明換熱性能將直接影響地源熱泵的經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(guò)程可以描述為：地埋管內(nèi)循壞水與地埋管內(nèi)壁的對(duì)流換熱過(guò)程、地埋管壁內(nèi)的導(dǎo)熱過(guò)程、地埋管外壁與回填材料之間的傳熱過(guò)程、回填材料內(nèi)部的導(dǎo)熱過(guò)程、回填材料與鉆孔壁之間的傳熱過(guò)程、鉆孔周?chē)寥赖膶?dǎo)熱過(guò)程[23]。

1工作流程

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

2地源熱泵可持續(xù)設(shè)計(jì)方法

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

3設(shè)計(jì)基本參數(shù)

針對(duì)貴陽(yáng)市的某一小型別墅，戶(hù)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?chē)休^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(jì)條件及工程參數(shù)，設(shè)計(jì)條件及工程參數(shù)如表1所示。

所設(shè)計(jì)地源熱泵參數(shù)如表2所示。

4實(shí)例仿真結(jié)果及說(shuō)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(duì)地源熱泵地埋管的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行模擬分析。模擬過(guò)程中進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化：把單U型管視為一當(dāng)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(guò)程中模擬參數(shù)如表3所示。

4.1鉆孔間距變化對(duì)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(duì)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(shí)，溫度梯度較小，鉆孔間距為3～7 m時(shí)，梯度較大。加熱工況時(shí)，鉆孔間距從1 m增加到7 m時(shí)，土壤外側(cè)溫度由6.500℃降低到13.533℃;制冷工況時(shí)，鉆孔間距從1 m增加到7 m時(shí)，土壤外側(cè)溫度由3250℃降低到20.31℃。因此在實(shí)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(jì)手冊(cè)，本實(shí)例中推薦的鉆孔間距為4～6 m。

4.2鉆孔孔徑變化對(duì)回填料內(nèi)壁溫度的影響

通過(guò)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(jìn)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(guò)小，不利于施工;推薦的鉆孔孔徑為0.13～0.19 m。加熱工況時(shí)，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(dāng)鉆孔孔徑為0.07 m時(shí)，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(shí)，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(dāng)鉆孔孔徑為007 m時(shí)，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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(guò)配比回填料成分實(shí)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?chē)寥赖膶?dǎo)熱系數(shù)。

4.4地埋管管徑變化對(duì)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(dāng)管徑由20 mm增加到50 mm時(shí)，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(dāng)管徑由20 mm增加到50 mm時(shí)，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(shí)際工程中取大管徑，同時(shí)要綜合考慮成本的問(wèn)題。

在加熱工況下取小管徑，而在制冷工況下要取大管徑，當(dāng)熱泵機(jī)組一機(jī)兩用時(shí)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(shí)現(xiàn)加熱，夏季實(shí)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(guó)的目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)為地?zé)崽娲偃f(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)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(jì)方法，運(yùn)用模擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其相關(guān)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)參數(shù)選取。其相關(guān)制造成本及操作運(yùn)行費(fèi)用可進(jìn)一步使用優(yōu)化設(shè)計(jì)加以實(shí)現(xiàn)。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）