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地埋管地源热泵系统的研究现状

文章来源:http://www.iwuchen.com/  2018年04月07日  点击数:1329

能源是人类生存、经济发展、社会进步的物质基础。然而,随着世界人口的增长和发展中国家人均生活水平的提高,世界各国面临着能源危机的挑战。因此,各国努力改善能源结构,寻求充足稳定的能源供应,都对合理利用能源和能源的战略决策给予了极大的关注,其中对开发利用新能源尤为引人注目。

地表浅层储存的地热是一种可再生能源。据估计,世界地热资源总量约1.45×1026J,相当于标煤约为4.95×1015t。由于传统能源(煤、石油、天然气、核能)日趋匮乏,地热的利用显得尤为重要。

对世界各国的一次能源消费进行分类,建筑耗能、工业耗能和交通运输耗能是主要的三大方面。这其中,建筑能耗占社会总能耗的30%~40%。因此,利用浅层地热能与热泵技术相结合为建筑物供暖、制冷的地埋管地源热泵空调系统在各国得到了广泛的发展。地埋管地源热泵空调系统的出现,很大程度上降低了建筑物使用空调带来的能耗。

1 地埋管地源热泵的工作原理

地埋管地源热泵系统是以浅层土壤为热源,通过输入少量的高品位能源(如电能),实现低品位向高品位热能转移的热泵空调系统。冬季供暖时,通过热泵把大地中的热量升高后对建筑物供暖,同时使大地的温度降低,即蓄存冷量,以备夏季使用;夏季制冷时,通过热泵把建筑物中的热量传输给大地,对建筑物降温,同时在大地中蓄存热量以备冬季使用。该系统一般包括三个环路:地埋管换热器环路、热泵机组环路及空调末端装置环路。其地埋管地源热泵系统示意图如图1所示。

2 地埋管地源热泵的国内外研究现状

国内外对地埋管地源热泵作了许多研究,主要可分为5个方面:理论研究、实验研究、复合式系统研究、能量和分析研究、技术经济性研究。(www.iwuchen.com)

2.1 理论研究

2.1.1 国外情况

国外对地埋管地源热泵系统的研究主要集中在地埋管换热器。它的设计、计算模型约30多种,大体分为解析模型、数值模型和混合模型 3 种。解析模型有代表性的主要有以下 4 种:

(1)1948 年,Kelvin 线热源理论。目前大多数地源热泵设计是用该理论作基础。

(2)1948 年 Carslaw 和 Jaeger 提出的圆柱热源理论(包括定壁温和定热流两种模型)。

(3)1983 年,BNL 提出了修改的线源理论。它将埋管周围的岩土划分为两个区,即严格区和自由区,在埋管运行时不同区之间的热传导引起该区的温度变化。

(4)1986 年,V.C.Mei 提出了三维瞬态边界元传热模型。该理论建立在能量守恒基础上由系统能量平衡结合热传导方程构成,有别于线热源理论。

基于前期的理论基础,国外近期提出了多种模型研究方法。Lamarche 等人提出了地埋管有限线性源模型的一种解析解模型,并和线性源模型的数值解模型进行了对比,结果表明,两种模型的模拟结果很接近。这种解析解模型有个很大的优点,即很容易得到不同结构的地埋管换热结果。Abu-Nada等人提出了三维的圆柱源理论模型,并模拟了1月份的使用情况,发现U形管出口温度随埋管深度的增加而升高,而且还与埋管的位置有关。Hikmet

Esen 等人对神经网络模型和模糊推理模型进行了对比,结果表明,模糊推理更适合地源热泵。

数值模型是以离散化数值计算为基础,可以考虑比较接近现实的情况,用有限元或有限差分等方法求解。随着计算机技术的不断发展,数值计算成为地埋管换热器理论研究的重要工具。较早而有影响是美国橡树岭国家实验室Mei等人的研究。差不多在同一时期,美国的布鲁克海文国家实验室的Metz 和 Andrew 等人也进行了地埋管换热器传热分析的数值研究。

在前期的基础上,近期又做了许多数值模拟的研究。Yujin Nam等人运用数值模型来预测了地源热泵系统热交换率,并与实验结果进行比较,发现分析结果和实验结果是一致的。V.R.Tarnawski等人对供热(最大 5.5 kW)和制冷(最大 3.3kW)两模式下应用于日本典型住宅的水平地埋管地源热泵进行计算机模拟和分析,结果表明,与燃油炉或电阻加热相比,地源热泵更节能和环保。C.K.Lee等人使用直角坐标系中的三维隐式有限差分法对地埋管换热器进行了数值模拟。

混合模型是利用解析法和数值法混合求解的手段描述单个钻孔在恒定热流加热条件下的温度响应,再利用叠加原理得到多个钻孔在变化负荷作用下的实际温度响应。这种方法是20世纪80年代、90年代瑞典的两位研究者Eskilson和Hellstrom提出的一种基于叠加原理的计算由多个钻孔组成的地埋管换热器传热的新方法,称为g-函数方法。后来Spitler等人学习并发展了这种方法。

2.1.2 国内情况

国内对地埋管地源热泵模型的研究比国外晚些,但也取得很大的成果。有地埋管换热器的传热模型研究,有测试浅层岩土热物性的模型研究。

地埋管换热器是地源热泵的重要组成部分,地埋管换热器的研究是地源热泵技术的难点,同时也是该项技术研究的核心和应用的基础,其设计准确与否对地源热泵的性能有很大的影响。工程上对单U形管与地层的传热通常分钻孔以外的岩土部分和钻孔内部的传热。刁乃仁等人指出,对于钻孔以外部分的传热,岩土的蓄热和放热是最主要的因素,因而按非稳态考虑,工程计算中常可采用线性源模型来求解。而对钻孔内的传热可简化为稳态传热,提出了U 形地埋管的二维稳态传热模型,给出了基于钻孔内温度场的二维解析解,得出了钻孔热阻的表达式。后来又提出准三维传热模型,考虑流体在深度方向上的温度分布,给出了钻孔内热阻的解析表达式,并在此模型基础上开发了地埋管换热器的设计模拟软件。杨卫波等人通过耦合竖直方向一维流体模型与水平面内土壤二维非稳态热渗耦合模型,建立了考虑地下水渗流影响的准三维U型埋管热渗耦合模型。结果显示:土壤导热系数与比热容的增大均有利于加强埋管的换热,且地下水渗流的存在有利于强化地下埋管与周围土壤间的换热能力,提高土壤源热泵系统的运行效率。郭文超等人运用负荷叠加、负荷阶跃、负荷累积的思想,结合人工神经网络建立了土壤源热泵系统地下埋管换热器仿真优化模型。结果表明,与传统的地下埋管解析解相比地下埋管神经网络优化模型具有良好的计算精度和泛化能力。王泽生等人运用二维非稳态导热模型对地源热泵夏季间歇运行模式地埋管换热器的换热特征进行了数值模拟,并分析了间歇运行模式对地埋管换热器性能的影响。赵军等人利用 U 形管地埋换热器三维传热模型,并通过实验对比分析换热器与土壤的传热过程不是单纯的导热问题,应更进一步考虑土壤中热湿迁移的影响;并结合实际地源热泵系统,对大面积密集型桩埋换热器管群周围土壤的换热特性进行了数值模拟,提出并分析了土壤换热中热屏障的形成原因及其特性。宋小飞等人运用CFD软件对 U 形地埋管换热器系统中的流动和传热进行了数值模拟,研究了地埋管换热器的换热效率与管间距、回填材料导热系数的关系。袁艳平等人对地埋管换热器的传热研究进行了综述,介绍了地埋管换热器的分析解、数值解的研究情况,分析了埋管之间的地下水、热干扰、回填材料以及管内循环流体的流量对地源热泵运行特性的影响。

岩土热物性测试理论与方法是地源热泵研究的一个重点。因为岩土热物性是地埋管换热器设计的基础数据,如果热物性参数不准确则设计的参数可能不能满足负荷需要,也可能规模太大,增加成本。于明志等人提出了测试岩土导热系统的二维准非稳态传热模型和二维非稳态传热模型。之后又提出一种更适合工程使用的岩土导热系数测量方法。近期他们提出了可用于现场测量地下岩土的导热系数等热物性参数的方法。该方法克服了其它模型对钻孔中埋管的具体位置、上升管和下降管之间的距离以及埋管和回填材料的物性等参数的要求,相应消除上述参数测量带来的误差,通过测量地下埋管的加热功率、循环水流量、出入口水温随时间变化,确定了某地源热泵空调系统工程地下岩土的热物性参数。胡平放等人研制了两种岩土热物性测试仪,分别介绍了线热源斜率法、双参数估计法和三维数值模型法 3 种测试热物性的方法。分析了测试时间、计算开始与结束时间、比热容等因素对导热系数、热阻的影响。王华军等人建立了一种基于恒温法的土壤热响应特性实验的改进装置,可以进行排热和取热工况实验。分析表明,改进后的土壤热响应实验装置在测试工况的稳定性、调节性以及稳定时间上具有一定优势。

2.2 实验研究

由于地埋管换热器占用面积比较大,进行实验研究相对困难些,故与模拟研究相比,实验测试少一些。但国内外学者还是做了相关的研究,主要针对地埋管地源热泵系统的制冷和供热及全年长期运行情况进行了实验研究。

2.2.1 国外情况

Jaedo SONG等人在一所学校建筑内对地源热泵系统进行了实验研究。该系统有 24 口钻井,每口井深175 m,实验测试了2008 年一个冬季的供热运行情况,结果表明在47% 的负荷下平均供热COP 为5.1,系统COP为 4.2左右。Rasim Karabacak等人在土耳其对一套地源热泵系统的供冷性能进行了实验测试。U 型地埋管管长225 m,井深 110m ,计算得出地源热泵系统供冷时系统 C O P为3.1~4.8,而热泵 COP 为 2.1~3.1。Omer Ozyurt 等人对在寒冷气候下地埋管地源热泵性能进行了实验研究。地埋管深度为 53 m,实验测试了 2007 年1月到 5 月的供热情况,实验结果显示地源热泵系统COP 为 2.07~3.04,而热泵COP 为2.43~3.55。Michopoulos 等人在希腊一个空调面积为 1350 m2的建筑物内对地源热泵系统进行了为期3年的实验测试。研究发现,3年后建筑物周围土壤温度与实验开始前仍保持一致,说明该地区冬夏冷热负荷比较平衡,很适合使用地源热泵系统进行制冷和供暖。

2.2.2 国内情况

蔡颖玲等人在上海松江区所建设的不同埋深竖管换热器土壤源热泵实验装置,进行了冬季工况实验。实验分析得出 90 m 埋深换热器运行时,单位井深换热量平均为57.2 W/m;60 m 埋深单 U 型埋管换热器运行时,单位井深换热量平均55.7 W/m,60 m 埋深双 U型埋管换热器运行时,单位井深换热量平均为65.7 W/m。杨卫波等人对南京地区地埋管地源热泵的夏季运行性能进行了实验,发现夏季制冷工况下的启动时间约为 8 h ~9 h,其单位埋管放热量为 44 W/m~49 W/m,平均传热系数为3.4 W/(m?℃)。与连续运行工况相比,间歇运行工况可以有效地改变埋管周围土壤温度的变化趋势,降低其温升率,改善机组运行效率。

2.3 复合式系统研究

2.3.1 国外情况

V.Trillat-Berdal等人通过实验和数值模拟研究了利用太阳能 - 土壤耦合热泵对建筑面积为 180 m2的私人住宅进行供暖、供冷和生活热水。经过11个月的运行,土壤蓄、取热的平均功率为39.5 W/m和40.3 W/m,热泵平均供暖 COP 为 3.75;通过模拟得出了复杂系统的最优配置。Ozgener等人对某绿色建筑采用太阳能辅助地源热泵供热系统进行了性能分析和实验研究。得出热泵 COP 为2.13~2.84,而系统 COP要比热泵COP低5%~15%。Gasparella等人对热泵与溶液除湿的复合系统进行了研究。

2.3.2 国内情况

韩宗伟等人对寒冷地区太阳能 - 季节性土壤蓄热热泵系统在各种运行工况下的运行特性进行了研究,并建立了各种运行工况下的数学模型,得出系统能保持土壤温度场以年为周期的热平衡,同时可以提高系统的供暖性能系数以及供暖可靠性。杨卫波等人针对青岛地区的气候条件,对太阳能 -地埋管地源热泵系统有、无蓄热水箱时各联合供暖运行模式进行了数值模拟。分析表明,有、无蓄热水箱时的节能率分别为 14.5% 和10.4%,即有蓄热水箱时的联合供暖运行模式的效果最佳。董兴杰等人分析了地源热泵系统与冰蓄冷耦合前后地下温度场以及冷却水进出水温度的变化,得出与冰蓄冷耦合后温度场恢复较好,冷却水温度变化非常平缓。

2.4 能量和分析研究

2.4.1 国外情况

A.Hepbasli等人对地源热泵进行了能量和分析,分析得出压缩机最不可逆性,其次是冷凝器和毛细管。因此最有可能提高性能的是压缩机,其次是冷凝器和毛细管。

2.4.2 国内情况

毕月虹等人对组成土壤源热泵系统的3个回路及整个系统的制冷和制热工况进行了全面的分析,给出了损失、效率、损率、损系数及热力学完善度的表达式。结果表明:对系统进行分析时,必须综合考虑;在整个系统中,损率最大的是压缩机,而效率与热力学完善度最低的却是土壤热交换器。

2.5 技术经济性研究

2.5.1 国外情况

Urchueguia 等人对地源热泵系统和空气源热泵系统进行了制冷和制热工况的比较。分析可知在相同负荷的情况下,在制冷工况时,地源热泵系统比空气源热泵系统节能 37%;而供热工况时,地源热泵系统比空气源热泵系统节能 43%。PhilippBlum等人对德国的一套地源热泵系统和传统的采暖系统进行了对比。计算得出使用地源热泵系统每年减少 CO2排放量为 2000 t。因此,与其它系统相比地源地泵系统更环保。

2.5.2 国内情况

朱岩等人对北京市某高档公寓使用土壤源热泵系统和风(水)冷集中式空调加锅炉系统经济性进行了对比。初投资分别为2524.0×104元和2562.9×104元;年运行费用分别为149.8×104元和266.3×104元。计算得出土壤源热泵系统每年节约运行费用116.5×104元。胡璋等人对武汉地区某办公楼为代表性建筑使用风冷热泵空调系统、水冷螺杆+燃气锅炉空调系统、VRV空调系统为比较对象,来进行土壤源热泵空调系统的经济性研究。计算发现:从运行费用来说,除冬季与VRV空调系统运行相差不大外,无论是夏季运行费用,冬季运行费用还是全年运行费用,相对于其它空调系统而言,节约率基本上均在 15% 以上。从年费用和寿命周期成本来看,与水冷螺杆机组+燃气锅炉空调系统、风冷热泵空调系统和VRV 空调系统相比,土壤源热泵空调系统年费用分别节约 7.1%、6.7%、17. 6%,寿命周期成本分别节约 7. 1% 、4. 6% 、17.6%。从热经济学成本分析可得,土壤源热泵空调系统在武汉地区有较大的经济优势。

3 结语

地埋管地源热泵作为一种清洁、节能、高效、可再生的新能源技术,在国外已经得到了广泛的关注和应用。我国学者进行了大量的研究,为地源热泵在我国的应用打下了基础,但与国外相比,国内还存在一定的差距。随着政府的支持、相应的鼓励和用户的宣传,再加上生态环境保护的深入人心和节能意识的加强,建筑环境和生活水平的不断提高,地源热泵系统因其节约常规能源、充分利用可再生能源、以及减少环境污染和资源破坏等显著优点,将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。

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