地下换热系统（精选7篇）
地下换热系统 篇1
摘要：结合几年的实际施工经验,对地源热泵系统的施工技术进行了总结,并对施工不当引起的质量问题作了阐述,指出相应的解决办法,以使地源热泵系统真正实现高效、节能、环保的目标。
关键词：地源热泵系统,地下换热器,施工,节能系统
我国地源热泵起源于20世纪80年代,21世纪到了推广普及阶段。现在,地源热泵技术在中国大规模实施工作已开始,全国从北到南、从东到西到处都在广泛的应用这一节能环保技术。本文根据几年的实际施工经验对地埋管换热器在施工中的施工工艺作一讨论。因施工不当引起的质量问题有以下几方面:钻井深度不够;下管深度不够、下管不垂直、管材焊接接头缩口、焊接接头漏水、地面下沉接头断裂等。本文主要针对以上可能出现的问题进行阐述,并提出解决的办法。
1 地源热泵系统
地源热泵系统是利用地球表面或浅层水源作为冷热源,进行能量转换的空调系统。
地源热泵系统技术利用储存于地表浅层近乎无限的可再生能源提供空调及采暖,成为可再生能源的一种形式。
地源热泵免除了碳、渣、二氧化硫等污染物排放,可以说地源热泵是一种清洁能源方式。
地球表面温度一年四季相对稳定,一般为10 ℃～25 ℃,冬季比环境温度高,夏季比环境温度低,是热泵很好的冷热源,这种温度特性使水源热泵制冷、制热系数高。因此可以说地源热泵系统属于一种高效的节能系统。
2 工作原理
根据地热能交换系统形式不同,地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。本文主要阐述地埋管地源热泵系统。在冬季,地源热泵系统通过利用热交换器获取地下的热量,而后由环路中的循环水,通过环路水泵把热量带到室内,再利用地源热泵机组通过电驱动的压缩机和热交换器把大地的能量集中,使之达到较高的温度,释放到室内。在夏季,此过程则相反,地源热泵机组将从室内抽出多余的热量排入环路中,再通过环路把热量向大地释放,并被大地吸收,使房间温度降低,达到供冷的目的。
3 应用方式
地埋管地源热泵系统根据所需土壤换热地表面积大小要求的不同,可以分为垂直埋管方式和水平埋管方式。水平埋管和垂直埋管均可以使地埋管地源热泵系统达到很好的使用效果,两者间最大的不同主要表现在垂直埋管方式占地面积远远小于水平埋管方式,但是水平埋管方式施工难度要小于垂直埋管方式。
4 地下埋管换热器的施工
4.1 室外钻孔
工程钻孔是地下换热器施工过程中最重要的环节。钻孔过程中产生的泥浆水从钻孔的位置冒出地面,所以施工前,先设计并布置好排水沟,并在沟末端连接一个灌浆池,钻孔过程中产生的泥浆也可以在灌浆池中沉淀,沉淀后可做回填土。
钻孔常出现的问题及解决办法:
在大规模埋管中,钻孔偏斜问题非常严重,为了避免钻孔交叉,防止对已经安装的地下换热系统产生破坏,必须尽量防止钻孔偏斜,主要方法是尽量直接在钻头上部加压,以保证孔的垂直度。施工中常用的工艺还有在钻杆处做圆形护圈,通常25 m～30 m做一个,这样既能保证孔的垂直度,又可防止缩孔造成下管困难。通常室外地埋区域相对较大时孔与孔之间的间距最好不少于4.5 m,这样换热效果也大大提高了,同时大大降低了钻孔偏移带来的不利影响。施工中遇到较软砂土层时,上层施工容易造成塌方。通常这种情况下需要填充红黏土或者膨润土进行护壁,如还不能解决问题,就需要添加护壁套管,通常要加至砂土层以上,避免塌方带来损失。
4.2 地埋管管材与管件的熔接
地埋管应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件,目前我国地埋管的施工通常采用PE管(80或100系列),这种管材使用寿命可长达50年,稳定性强。
管材及管件连接常出现的问题及解决办法:若管材和管件熔接的时间过长,会造成管材的外壁和内壁全部变软,熔接时,因用力过猛而造成管材内部卷边,缩小了管材的口径,影响了水的流量,即影响制冷量,所以热熔焊接一定要把握好时间和温度。温度一般控制在不低于250 ℃,根据热熔器温升的不断提高,掌握热熔时间的长短,温度高了熔接的时间相对就缩短了;根据管径的粗细其热熔的时间也有所不同,在掌握热熔器的特性的情况下来熟练把握焊接技术。熔接的质量直接影响系统的稳定性。
管材连接还有电熔连接的方式,该方式要求管材的每个接口处都要增加管件,而且管件的成本较高。但电熔连接解决了两个难题:1)环境温度低时施工;2)场地狭小时施工。
4.3 下管
下管是一个非常关键的步骤,下管的深度决定换热量的多少,所以必须保证下管深度,下管的成功与否决定了系统是否能够安装成功。下管过程到目前为止还没有达到机械化、自动化的程度,几乎都采用人工下管,需要的人力比较多,要求扶正、下压、送管等几个分工。下管时,应尽量保持同心度,并且管与管不要紧密接触,以免产生换热器的短路现象。下管常出现的问题及解决办法:钻孔完毕后应及时下管,因为钻孔有大量的沉积泥砂,这就减少了钻孔的有效深度,因此,每钻完一个孔,应及时把U形管放入。在下管过程中,由于孔内壁摩擦力及孔内泥浆的浮力,下管时会遇到很大的阻力,所以下管时,把立埋管路在有压状态下插入到井中;水增加了管材的重量,下管时增加下坠力,同时也便于观察下管过程中是否对管材造成破坏。
4.4 注浆
注浆时,先将膨润土和砂子的比例按1∶3的投放量配比,把膨润土和砂子根据比例加水搅拌在一起打成糊状,用专用泥浆泵打入井中,膨润土和细砂的作用是增强管材与土壤的导热系数。
另外根据不同地质结构,回填亦可采用其他填充料。如钻孔时取出的泥砂浆凝固后收缩很小时,也可用作灌浆材料,如果地埋管换热器设在非常密实或坚硬的岩土体或岩石情况下,宜采用水泥基料灌浆,以防止孔隙水因冻结膨胀损坏膨润土灌浆材料而导致管材被挤压节流。
4.5 铺填黄砂及土方回填
铺填黄砂也是一个很重要的环节,黄砂的铺填也要有一个标准量要求,必须铺盖在管下面200 mm、上面100 mm左右来对管路进行保护和固定。用挖掘机回填土方的时候,要注意的是不可把大的土块和石头过高和过猛地扔到沟里,大的振动可能会给管路造成破坏,所以操作的时候应特别小心,用碎土和没有石块的土铺填沟的底部,用挖掘机轻轻的推入沟里,然后就可以随意的回填了。回填土时一定要保证系统内有一定的气压在里面,在没有气压的情况下可能会被大的石头压瘪压伤,有气压时管路可以起到减振和能承受外部巨大压力的作用,避免使管路被压瘪压伤。
4.6 水压试验
竖直地埋换热器的施工要经过四次水压试验,以确保施工没有问题。第一次水压试验:管的地面保压。立管地面保压的意义就是检测熔接好的U形管是否泄漏,检测供货的质量和管路对高气压的承受力。在试验压力下,稳压至少15 min,稳压后压力降不应大于3%,且无泄漏现象。第二次水压试验:下管完毕与横连管材连接之后,回填之前进行第二次水压试验。在试验压力下,稳压至少30 min,稳压后压力降不应大于3%,无泄漏现象。第三次水压试验:地埋管和机房分集水器连接完成后,回填前应进行第三次水压试验。在试验压力下,稳压至少2 h,无泄漏现象。第四次水压试验:地埋管系统全部安装完毕,进行系统冲洗、排气及回填完成后,进行第四次水压试验。在试验压力下,稳压至少12 h,稳压后压力降不应大于3%。
5 结语
经过近几年的研究与应用,地源热泵系统在我国已经取得了好的开头,尽管还存在着这样或那样的问题,但总的发展趋势是良好的。GB 50366-2005地源热泵系统工程技术规范中有关施工的条款要切实执行,还要加强在实践中总结经验和技巧,使地源热泵真正实现高效、节能、环保的优势。
参考文献
[1]谈建平.浅谈地源热泵技术在建筑工程中的应用[J].山西建筑,2008,34(21):153-154.
地下换热系统 篇2
美国于1946年最早开始对地下换热器进行研究, 国内起步较晚, 现有的地源热泵设计方法大都基于美国和欧洲对地下换热器的实验研究。从1998年开始, 国内数家大学分别建立了地源热泵实验台, 重点研究地下换热器。地下换热器的取热过程主要热阻是土壤, 取热管的材料种类对取热量大小影响不大, 据国外文献研究表明:最佳的回填材料是将在钻孔过程中所排出的地层土或岩石进行对应回填, 以获得与地层相一致的导热性能。但是无论空气钻进还是泥浆钻进, 对地层中土或岩石都会造成不同程度的影响。为提高地下换热器的换热能力, 在膨润土中加入不同比例的组分形成增强性水泥浆回填材料, 其导热系数可达1.5~2.1W/ (m K) , 比传统的膨润土泥浆要高出约20%。因此采用高效回填材料来提高换热器的换热能力非常必要。本文首先对地下换热器的形式进行探讨, 通过实验手段重点研究两类回填材料, 力图减小地下换热器的热短路, 提高地下换热器的换热能力。
一、换热器
地下换热器的结构如图1所示 (以单U型为例) , 地下换热器换热管材料一般为聚乙烯、聚丁烯或高密度聚乙烯材料, 对于回填材料应根据不同的大地条件选择不同类型的材料进行回填, 循环介质一般是水, 乙二醇等。制冷工况下工作过程为:从热泵中流出的较高温的循环介质流入换热器, 高温的循环介质在U型管中通过换热管与较低温的回填材料和大地进行换热, 通过换热后温度降低, 变成较低温的循环介质, 经回路流回热泵, 反复如此进行循环, 达到制冷的目的;供暖工况与之相反。
地下换热器形式按下管的不同类型大体分为3种:单U型, 双U型, 1+2型。根据不同的工况要求和当地的水文地质条件, 合理设计地下换热器的形式, 是降低地源热泵初投资的方法之一。
二、回填材料的优化
通常回填材料可以用与地层相近的材料, 如膨润土、水泥、砂等充填、夯实即可, 但是地下换热器的换热性能与地区地质条件密切相关, 因此不能一概而论。描述回填材料物理性质的基本参数包括密度、含水率、空隙比、饱和度、比热容及导热系数等, 除地质条件中地下水对换热器性能影响重大外, 其中导热系数是最关键的, 也是决定系统效率高低的主要因素。
实验采用QTM型瞬态导热仪测试, 其原理是基于平板探针法, 它利用电脉冲测试导热系数, 采用线热方法计算导热率, 属非稳态法。测定时, 将探针放在待测材料表面, 恒定流通过传热线, 在1min内探针被加热21~60e, 仪器自动计算并显示其导热率。为了寻求更经济、高效的回填材料, 实验测试了两类回填材料的配方:一种是在膨润土中掺入少量其它物质;另一种是以水泥、砂为基料。
膨润土与水泥直接混合, 成型后可塑性强, 但膨润土自身具有吸水膨胀性。试块在24h后, 由于失水, 试块严重收缩并出现大量裂缝。此时导热系数无法测量。在实际工程应用中, 如在较干旱的地区不宜直接用作回填材料, 但在地下水较丰富地区, 由于地下水的迁移, 对换热非常有利, 可以采用。通过计算可以看出, 导热系数随着含砂率的增加而增加。这是由于石英砂导热系数高, 热阻低, 渗透性好, 但是对回填材料的可泵性有一定的影响, 含量过高增加泵的磨损。
水泥、砂由于水泥含有大量矿物成分, 而砂的主要成分为Si O2, 故实验针对三种水灰比 (0.5、0.45和0.4) 以水泥和砂作为基料进行实验。
通过计算得出, 回填土的导热系数随着含砂率的增加而增加, 但是增长速度逐渐趋于平缓。进行导热系数的测量时发现, 随着砂置换率的增加, 导热系数也随之增大, 当超过60%左右时, 增长趋势并不明显。考虑到施工时的可泵性, 故砂置换率不能过高, 以60%~80%为佳。
在砂中加入少量的膨润土, 添加膨润土的用量可以增加导热性, 并能改善回填材料的可泵性。但是膨润土吸水膨胀, 故不能过量, 实验得出加入量不宜超过5%。
对于回填材料的优化, 应将理论分析与实践工程相结合进行深入研究, 最终找到高效、经济的回填材料。
三、热短路
热短路现象是造成地下换热器热损失的一个重要原因。地下换热器的管与管之间相互有热影响, 通常采用钻孔内热阻来反映其影响情况。钻孔内的热阻与钻孔内各支管相互间的热阻大小、钻孔深浅、循环流体质量流率及其比热大小有关。
图2为对称布置的双U型管换热器横截面示意图, 钻孔直径110mm, 钻孔深度80m, U型管支管外径30mm, 循环液比热为4186.8J/ (kg K) (纯水) , 循环液质量流率为0.3kg/s, 岩土导热系数为1.5W/ (m K) , 钻孔回填材料的导热系数为1.0W/ (m K) 。当U型管半宽D为39mm时钻孔热阻为0.064 (m K) /W, 当各支管相互靠紧时, 即当半宽D为22.6mm时, 钻孔热阻可达0.139 (m . K) /W, 后者是前者的2.17倍。可见, U型管在钻孔内的配置状况对于地下换热器钻孔内热阻有相当大的影响。
为了在施工中保证把钻孔内热阻降为最低, 目前通常采用人工下管。下管前, 将灌浆管与U型管捆绑在一起, 并加上定位器 (此时定位器处于压缩状态) 。捆绑既要保证每根管竖直不能弯曲, 又要防止灌浆管灌浆过程中提升困难, U型管头部需设防护装置, 防止在下管过程中损伤。在施工过程中, 由于孔内情况复杂, 下管时可能遇到很大的阻力, 应在U型管内充满水, 增加自重, 减少下管过程中的浮力。并辅以扶正机构, 通过加力杠杆下管, 当U型管下到底部后, 打开定位器, 这时定位器会尽量分开U型管, 保证管间距离最大, 从而减少钻孔内热阻, 提高换热器性能。
四、结论
通过提高地下换热器换热能力减少地源热泵埋管的长度, 从而减少初投资, 是提高地源热泵市场竞争力的关键技术。因地制宜地选择地下换热器形式, 采用高效、稳定的回填材料和最大限度地减少热短路是提高换热器换热性能的必要途径。
(1) 地下换热器形式通常有单U型, 双U型, 1+2型三种, 应根据具体的要求和当地的水文地质条件进行合理选择和设计。
(2) 对两类回填材料进行了室内实验, 对实际工程具有理论的指导意义, 下一步工作应与具体的工程实践相结合进行深入的研究。
地下换热系统 篇3
能源是人类社会生存发展的必要因素,人类社会发展依赖于各种形式的能源。随着经济的快速发展和人民生活水平的大幅提高,能源短缺问题已在各行业中显现出来,并成为全球关注的重大问题。节能也随之成为当今世界的主要研究课题。在此背景下,高效节能的地源热泵技术在我国得到了广泛的研究与应用。
我国南方地区地下水资源十分丰富,在地埋管换热器施工过程中,经常会碰到土壤含水层中存在地下水渗流的情况。地下水流动对地埋管换热器换热有明显的影响,此问题已经引起了研究人员的注意。Eskilson[1]利用移动线热源稳态解析解,讨论了稳态下渗流对地埋管换热器的影响。刁乃仁等[2]采用移动热源理论,得到了有均匀渗流时二维温度响应的解析解。范蕊等[3]通过数学模拟,分析了渗流对地下埋管换热器传热的影响,渗流能增强地下埋管换热器的传热能力。本文将在前人研究工作的基础上,进一步引入多孔介质渗流理论,通过对二维流动传热模型的数值模拟,分析地下水渗流对地埋管换热器周围土壤温度场和传热热阻的影响。
2 数学模型
地埋管换热器的传热过程是一个复杂的、非稳态的过程,该过程所涉及的几何条件和物理条件也都很复杂。为了便于分析,须作必要的简化:将土壤看成各向同性的均匀饱和多孔介质;考虑地下水的二维渗流,忽略垂直方向渗流;同一位置处的流体和固体瞬间达到热平衡;忽略回填材料与钻孔壁的接触热阻;将支管间传热相互影响的垂直U型管等效为一当量直径的单管,等效管不同深度管外壁的温度一致,散热量一致;本文以钻孔壁为界,把研究对象划分为钻孔内部分和钻孔外部分。钻孔内部分,采用一维稳态解析法求解钻孔内相关温度;钻孔外部分,采用数值模拟方法求解其温度场;两部分的结合点在于钻孔壁温度。
2.1 钻孔内传热数学模型
钻孔内的温度场采用一维稳态解析解求解。首先确定等效管的半径re,计算公式[6]如下:
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式中S是形状因子;rb是钻孔外半径,m。
等效钻孔壁平均温度Te计算公式为:
Te=Tw-q1(Rf+Rpe+Rb)
式中Tw为管内流体的平均温度,℃;q1为单位管长的换热量,w/m;Rf为流体至等效管内壁的换热热阻,(m.℃)/W;Rpe为等效管壁的导热热阻,(m.℃)/W;Rb为等效管到钻孔壁的热阻,(m.℃)/W。
2.2 钻孔外传热数学模型
地下水在土壤中渗流为层流流动,本模型连续性方程如下:
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地下水渗流的动量方程:
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y-动量:undefined
式中ρ为地下水密度;φ为土壤孔隙度;Smx和Smy是动量源项;α是渗透性与水容重的乘积;μ是流体黏度。
对于多孔介质流动,本文依旧使用标准能量方程,只是对扩散项和时间导数项做了修改。在多孔介质中,扩散项使用有效传导系数,在时间导数项中则计入固体区域对多孔介质的热惯性效应。在本模型中使用单相流体非等温渗流能量方程[4][5]:
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式中下标s表示土壤,下标f表示流体水;φ为土壤孔隙度,kt为有效传导系数,qt为总内热源强度,αt为总热扩散系数,(ρCp)f为总热容,δ为热容比,S为能量方程源项。
3 单井地埋管换热器的模拟与分析
3.1 模拟参数设置
本文所模拟的单井地埋管物理模型如图1所示。钻孔直径为0.15m,周围土壤区域AB长为6m,BC长为4m。土壤密度为2400kg/m3,比热容为1200j/kg.k,导热系数为 2.4w/k.m,孔隙度为0.3,渗透率为1.49e-10m2。钻孔内情况:钻井流量为1.15m3/h,钻孔内热阻为0.11k/w。初始条件:土壤的初始平均温度为18.5℃;边界条件:钻孔壁为热流边界条件,热流大小等于单位井深换热量77.58w/m;AB、CD边界为绝热边界;BC为出流边界;AD为速度入口边界,速度大小等于地下水渗流速度。
3.2 不同渗流速度下的土壤温度场分析
在有渗流的情况下,地埋管换热器的传热途径有两种:一是多孔介质骨架和孔隙中地下水的导热;二是地下水渗流产生的水平对流换热。图2～7是在夏季空调工况下,换热器连续运行10天后的土壤温度场情况。从图2与图3～7比较中可以看出:无渗流时,土壤温度场基本上是以中心对称的;而有地下水渗流时,土壤温度场在沿地下水渗流方向被明显地拉伸。这是因为存在地下水渗流时,地下水的温度基本等于土壤的原始温度。系统在夏季工况下运行时,不断向钻孔周围的土壤排放热量,使周围土壤温度升高。在上游区域,地下水渗流方向与土壤的温度梯度方向相反,这致使地下水不断吸收土壤中的热量,温度逐渐升高,同时对上游的土壤来起到了冷却的作用。而在钻孔的下游区域,地下水流过钻孔周围的高温土壤吸取了大量热量后,水温逐渐大于土壤的温度。并且下游的渗流方向与土壤的温度梯度方向一致,致使渗流水不断向土壤放热,对下游土壤起到了加热的作用。
从图3～7比较中可以看出:地下水渗流速度越大,土壤温度场在渗流方向上被拉伸的越大,在垂直于渗流方向上被切削的越大。也就是说渗流速度越大,埋管在沿着渗流方向的热作用距离越大,垂直于渗流方向的热作用距离越小。那么井群布置时,在地下水渗流方向上要适当增加钻井间距;而在垂直于地下水渗流方向上,可适当的减小钻井间距,而达到井群优化布置的目的。
3.3 不同渗流速度下的土壤总传热热阻分析
为研究地下水渗流速度对地埋管周围土壤总传热热阻大小的影响。在土壤温度场稳定后,求出不同渗流速度下土壤总传热热阻。土壤总传热热阻采用如下公式计算:
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式中Te为钻孔壁的平均温度,℃;Ts土壤的原始温度,℃;q,单位井深换热量,w/m。
当温度场达到稳定后,采用公式(9)求出不同渗流速度下的土壤热阻阻值。当v=0.1m/d时,土壤热阻值为0.188k/w;当v=0.5m/d时,土壤热阻值为0.101k/w;当v=1m/d时,土壤热阻值为0.073k/w;当v=5m/d时,土壤热阻值为0.032k/w;v=10m/d时,土壤热阻值为0.023k/w。由此可见地下水渗流速度越大,土壤总传热热阻阻值越小,越有利于地埋管的换热。图8是土壤温度场稳定后,不同地下水渗流速度下总传热热阻的变化情况。
4 结论
通过对单井地埋管换热情况的模拟,分析地下水渗流对地埋管换热的影响,得出结论如下:
(1)存在地下水渗流时,地埋管换热器温度场将沿地下水渗流方向被明显地拉伸。井群布置时,在地下水渗流方向上宜适当增加钻井间距;而在垂直于地下水渗流方向上,宜适当减小钻井间距,从而达到井群优化布置的目的。
(2)地下水渗流能减小土壤总传热热阻,有利于提高地埋管的换热效率。地下水渗流速度越大,土壤总传热热阻越小。
参考文献
[1]Eskilson P.Thermal analysis of heat extraction boreholes.Swe-den:Doctoral thesis,Lund University,1987
[2]刁乃仁,李琴云,方肇洪.有渗流时地热换热其温度响应的解析解.山东建筑工程学院学报,2003,18(03):1~5
[3]范蕊,马最良.热渗耦合作用下地下埋管换热器的传热分析.暖通空调.2006.
[4]孔祥言.高等渗流力学.中国科学技术大学出版社:47-48
[5]fulent6.1全攻略.2005
地下换热系统 篇4
地源热泵系统(Ground Source Heat Pump System)是一种利用土壤源、地下水源等低品位能源的空调系统,国外对于地源热泵系统的研究起步较早,而且已经有了大量的工程实例和成熟的设计技术,作为一种以可再生能源为冷热源的空调系统,地源热泵系统具有清洁、环保、节能等诸多优势,因此已经广泛的被应用于世界各地。
对于地源热泵系统的研究与应用基本集中在系统中地下埋管换热器的传热研究分析、系统的设计方法、安装技术以及运行工况测试等方面。在地源热泵系统中地下埋管换热器与土壤、地下水等冷热源的换热情况较为复杂,因此对于地下埋管换热器的理论研究和实验研究一直以来都是地源热泵系统研究的重点方向。
随着计算机仿真技术的发展,在仿真的基础上对于地源热泵系统及其组件进行研究已经成了目前非常通用的研究手段,而建立计算准确和高效的地源热泵系统仿真模型,需要对地下埋管换热器的传热机理及模型分析,并提出相应的设计计算方法。同时随着一些利用地下埋管换热器和土壤源等进行换热的新型的地源热泵系统的发展,对于这些新型的系统,如何更好的提高其运行效率也需要对地下埋管换热器的换热性能等方面进行研究,因此对于地下埋管换热器传热模型的研究分析已经成为对地源热泵系统进行研究的热点之一。
1 地下埋管换热器传热模型的分类
地下换热器的传热模型基本可分为:
1)半经验性的设计计算公式,该类模型以热阻概念为基础,根据冷、热负荷估算地下换热器埋管的长度,但是采用计算公式进行计算时,对各项热阻作了较多的简化,使得模型过于简单,与实际情况不相符,产生较大的偏差。
2)以离散化数值计算为基础,用有限元或有限差分法求解地下的温度响应并进行传热分析。
3)基于热阻的概念,求得地下埋管换热器单一传热环节热阻的解析表达式,利用叠加原理处理复杂的多传热环节。对于地下螺旋埋管换热器,多层螺旋埋管的换热情况可先通过单层螺旋埋管传热过程进行分析,并在此基础上采用叠加原理进行分析处理。该类方法物理概念清晰,计算精度优于或相当于数值模拟方法,同时由于利用叠加原理并尽量采用解析解,计算速度比数值解法快,计算量减少,还可通过实验等手段确定解析解模型的相关修正系数,提高模型的计算精度。
2 地下埋管换热器模型的研究现状与发展趋势
在整个地源热泵系统设计和运行阶段,借助计算机仿真来评估系统的能耗、运行情况已经成为较普遍的方法,相关的专业软件如地源热泵设计软件是设计和工程人员重要的设计参考工具。对于模型的仿真模拟而言,需要地下埋管换热器仿真模型具有更好的计算效率和更高的计算精度,从而满足地源热泵系统优化设计的要求。
2.1 地下埋管换热器解析解模型
1)NWWA[1](国家水井协会模型),1986年Hart和Couvillison基于Kelvin(1861年)线源理论的闭合分析解得到了线热源周围土壤温度分布的计算方法。
2)IGSHPA Approach(国际地源热泵协会模型)[2]是北美确定地下埋管换热器尺寸的标准方法。
2.2 地下埋管换热器数值解模型
Eskilson’s Model[3]基于有限长热源的数值解,该模型考虑了钻孔深度对传热的影响,采用了无因次温度响应因子——g-function对传热模型进行近似求解。Eskilson数值传热模型应用于很多科研机构和商业软件中,没有考虑到钻孔中具体的几何配置。
1999年,Yavuzturk[4,5]在Eskilson长时间步长温度响应因子的基础上,发展了能用于短时间换热器换热性能预测的短时间步长(the short time step)温度响应因子g-function。Eskilson模型如式(1)所示,利用该式可以求解出每个时间步长的孔洞平均温度。该模型能够应用于参数估计法,从短时间运行测试数据中发现钻孔热性能,同时能够用于计算短时间步长无因次温度响应因子,以用于地源热泵系统的能耗分析和混合式地源热泵的设计。
其中,t为时间,s;ts为时间尺度;H为孔深,m;k为土壤导热系数,W/(m·℃);Tborehole为孔洞平均温度,℃;Tground为远端土壤温度,℃;Q为单位时间步长传热量,W/m;rb为孔洞半径,m;i为时间步长。
Yavuzturk模型中,求解单步长孔洞换热情况的热响应因子g-function做了些改变,可表示为:
2008年,Louis Lamarche[6]通过修改和改进“g-functions”,建立了一个新的基于短时间步长的模型,该模型适用于解决竖直埋管换热器瞬时响应方面的问题,和Eskilson模型的计算结果相比具有良好的计算精度。
2.3 单井回灌(Standing Column Wells)换热器模型
单井回灌地源热泵系统是一种新型的地源热泵系统,根据ASHRAE Handbook:HVAC Applications(1995年)的分类,单井回灌地源热泵系统为第四大类的地源热泵系统,该系统通过抽取和回灌同一个水井中的地下水进行换热。
美国波士顿某建筑所采用的地源热泵系统[7],在相同的负荷要求下,单井回灌系统所需要的单孔孔洞的深度和孔洞的总深度明显小于单U形埋管换热器,因此单井回灌系统在初投资和工程施工中具有极大的优势。
单井回灌式系统因为牵涉到地下水的径向和纵向传热传质以及地下含水层的复杂性,是一个复杂的三维渗流过程,国内外对此系统传热模型的研究如下:
2007年,刁乃仁,李旻[8]等人在一定的简化条件下,求得了单井回灌地热换热器在承压含水层中的井外渗流的解析解模型,根据此解析解整个渗流场稳态解可从式(3)得到:
其中,S为降深,m;Q为抽水量或回灌量,m2/s;l为井深或承压含水层的厚度,m;Kr为r方向的主渗透系数,m/s;Kz为z方向的主渗透系数,m/s。
3 研究方向及应用前景
目前地源热泵系统的安装以每年10%左右的速度递增,未来对于该系统的研究将更集中于高效率和低投资方面。因为地源热泵系统是一种和土壤进行热量交换的耦合换热过程,受到土壤温度场、冷热负荷、换热器形式等诸多因素的制约,因此发展高效的地下埋管换热器和更为优化的控制策略将是未来研究方向的主流。未来对于地源热泵系统的研究将主要集中在以下几个领域:
1)地源热泵系统仿真模拟的研究。通过仿真模拟技术对地源热泵系统能耗、设计、控制等方面进行分析的手段已经成为对于地源热泵系统进行研究的重要方式之一,而地下埋管换热器(ground-loop heat exchanger)是地源热泵系统的重要组成部分,计算机仿真模拟对于地源热泵系统的设计、安装、调试、故障诊断、系统运行能耗评估等方面将起到越来越重要的作用,它的换热情况是研究所关心的重点,因此对于地源热泵系统的仿真模拟,主要的研究方向集中于地下埋管换热器模型的建立和优化。
2)地源热泵系统控制策略研究。对地源热泵系统而言,如何能够更有效的进行长期稳定的制冷或供热是评判该系统优劣的标准,土壤源热泵系统因为存在建筑物冷热负荷和地下埋管换热器向土壤的排吸热量不均、地下埋管换热器的换热量受到地下水渗流影响等问题,同时空调系统中多种冷热源的综合利用已经非常普遍,因此对于地下埋管换热器系统控制策略的研究显得尤为重要。
3)地下埋管换热器填料的优化研究。对于地下埋管换热器孔洞中填料的优化研究有利于提高地下埋管换热器和土壤之间的换热量,提高系统的效率。
参考文献
[1] Hart D.P.,Couvillison P.J. Earch Coupled Heat Transfer,Publication of the National Water Well Association[Z].2001.
[2]Bose J.E..Geothermal Heat Pumps Intriductory Guide[J].Okla-homa State University Ground Source Heat Pump Publications,1997(5):93.
[3]Eskilson P.Thermal analysis of heat extraction boreholes.Doctor-al Thesis,Department of Mathemetica Physics,University ofLund,Sweden[Z].1987.
[4] Yavuzturk C,J D Spitler,S J Ree.A transient two-dimensional finite volume model for the simulation of vertical U-tube ground heat exchangers[J].ASHRAE Transactions,1999,105(2):465- 474.
[5] Yavuzturk C,J D Spitler,S J Ree.A short Time step response factor model for vertical ground loop heat exchangers[J].ASHRAE Transactions,1999,105(2):475- 485.
[6] Louis Lamarche,Benoit Beauchamp.A new contribution to the finite line-source model for geothermal boreholes[J].Energy and Buildings,2007(39):188-198.
[7]Deng Z..Modelling of Standing Column Wells in Ground SourceHeat Pump System.Ph.D.dissertation,Oklahoma State Univer-sity[Z].2004.
POU用水点换热系统 篇5
在制药行业生产过程中, 防止微生物滋生使其达到行业卫生标准是至关重要的。为此, 该公司可提供一套性价比较高的解决方案, 即POU用水点换热系统。
POU用水点换热系统在主回路中使用控制阀, 使热水在系统中持续流动, 形成一个并行回路或子回路。需要用水时, 可以即时取到所需温度的注射用水。平常状态下热水会在系统中持续流动, 持续消毒, 防止微生物滋生。
制造特点: (1) 外壳全封闭; (2) 艾格无菌级双管板换热器能避免管程和壳程的交叉污染; (3) 316L不锈钢材质, 产品表面均经过钝化处理, 抛光精度达到Ra 20微英寸; (4) 符合ASME BPE标准。
应用优势: (1) 可在用水点即时取到冷/热水; (2) 持续流动的热水能保持持续消毒; (3) 自动或手动操作; (4) 带HMI触屏的可编程逻辑控制器, 有多种操作模式; (5) 管程可完全排空、无残留。
部分客户:Bayer Corporation拜耳、Emergent Biosolutions、Johnson & Johnson Neutrogena强生·露得清、Nano Therapeutics、Pearl Therapeutics、Perrigo、Reliance Life Sciences、Sigma-Aldrich、Texas A & M (TAMUS) 德州农工大学、Wu Xi App Tec无锡药明康德。
上海三盛热能技术有限公司
地址:上海市徐汇区漕宝路70号光大会展中心C座2501室
电话:021-54482938 64326951/52传真:021-54481373
POU用水点换热系统 篇6
在制药行业生产过程中,防止微生物滋生使其达到行业卫生标准是至关重要的。为此,该公司可提供一套性价比较高的解决方案,即POU用水点换热系统。
POU用水点换热系统在主回路中使用控制阀,使热水在系统中持续流动,形成一个并行回路或子回路。需要用水时,可以即时取到所需温度的注射用水。平常状态下热水会在系统中持续流动,持续消毒,防止微生物滋生。
制造特点:(1)外壳全封闭;(2)艾格无菌级双管板换热器能避免管程和壳程的交叉污染;(3)316L不锈钢材质,产品表面均经过钝化处理,抛光精度达到Ra 20微英寸;(4)符合ASME BPE标准。
应用优势:(1)可在用水点即时取到冷/热水;(2)持续流动的热水能保持持续消毒;(3)自动或手动操作;(4)带HMI触屏的可编程逻辑控制器,有多种操作模式;(5)管程可完全排空、无残留。
部分客户:Bayer Corporation拜耳、Emergent Biosolutions、Johnson&Johnson Neutrogena强生·露得清、Nano Therapeutics、Pearl Therapeutics、Perrigo、Reliance Life Sciences、Sigma-Aldrich、Texas A&M(TAMUS)德州农工大学、Wu Xi App Tec无锡药明康德。
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换热站变频控制系统分析 篇7
伴随着我国城市化进程的加快,城市规模不断扩大,对于供暖系统来说,多数地区已经从单一的采暖系统,逐步发展成为中型和大型的区域集中供暖系统,以及大量的住宅和综合小区集中供暖系统。燃煤锅炉房有它的优势,但也存在一些弊端。优点是经济效益好,运行成本低,设施应用广泛,技术较成熟,相关技术人员数量多。缺点是运行过程对机械化程度要求比较高,特别是换热站的设备控制系统,如果不进行合理的设计和有效的运行管理,将产生能源的浪费。
2 换热站变频控制系统的重要性
我国一些城市供热城区在供暖期间普遍存在能源消耗大和环境污染严重的现象,燃煤锅炉房控制系统设施陈旧,供热工程基础设施落后于城市建设和长远发展的需要,必然造成城市空气环境的恶化。许多疾病都是由于空气质量达不到标准而造成的。而北方地区更是严重,因为北方地区冬天气候寒冷,供暖期比较长,燃煤锅炉房运行时间长。因此,现代城市供热工程的发展尤为重要。许多优秀的供热系统工程设计师通过研究和发展,设计了大量新型换热站变频控制系统,使集中供热系统发展到了新的高度。从而使我们能够在舒适、温暖、绿色环保的环境中进行生产、生活及工作,这对环境的可持续发展意义重大。
3 换热站变频控制系统分析
我国是能源贫乏的国家之一,节能降耗是我们的国策。在全国各城市中集中供热的换热站非常多,如果都能进行节能方面的改造,则节约的能源和电力将是惊人的,同时可进行无人值守的方式,使系统的运行更稳定可靠,使社会和经济效益共同增长。循环水换热系统原理一般是:供热管网或锅炉的一次热煤系统,在蒸汽或高温热水下,在智能温控装置控制下,按照所需流量经换热器,将热量传递给二次水,达到换热效果。
在热交换站工作过程中,第二次供暖系统的工作可根据流量的情况将其分为流量系统和变量系统,无论哪种系统工作过程中,电机都是直接试电以工频运行,而且电机在工作中都必须以全速来运转。因此导致了电机工作中无法随着供暖负荷的增加或减少而变化,而系统中的循环泵输出的流量是恒定不变的,当工作人员根据天气的冷暖或者供暖负荷的变化对供暖中的循环水流量进行控制和调节时,大多采用将循环泵的阀门调大或者是调小,这样做给阀门上产生了附加损失,导致供暖热能量因为阀门的节流而损失消耗,不仅容易导致机械设备的损坏,还浪费了大量的热能量。另外,温度是一个比较滞后的参数,其运行周期比较慢,用阀门来控制和调节根本无法达到我们现实所需的精度和准度。在市场上的泵类设备大多都是以异步电动机直接驱动的方式来运行,这种运行方式存在许多缺点,如在启动中电流较大、机械冲击强、电气设备保护特性较差等,而且在运行过程中经常会出现泵类损坏的现象和电机损烧的现象,这就造成了供暖设备的使用寿命缩短和能源的浪费。
我们已经知道了循环水系统的变频控制系统的工作原理。因此,将户外温度、系统供回水水压和回水温度作为输入参数,再加上PLC控制器处理下达变频调速指令,通过供暖系统中的的变频器在一定条件下控制循环泵中电机的转速来最终实现控制和调节循环泵的输出流量。这一工作流程和工作方式可以使循环泵电机在整个工作系统中完美地应对供暖过程中出现的负荷和其他变化,而且还可以将所消耗能量减到最小程度。还能提高整个供暖系统的功率参数和因数,从而不断减少循环泵电机的无功消耗,提高供电效率和供电质量。