竖直地埋管换热器设计方法与应用
崔萍1，2，3 刁乃仁1，2,3方肇洪3
1. 省部共建教育部可再生能源建筑利用技术重点实验室；
2.山东省建筑节能技术重点实验室；3.山东建筑大学地源热泵研究所 济南，250101
崔萍1，2，3 刁乃仁1，2,3方肇洪3
1. 省部共建教育部可再生能源建筑利用技术重点实验室；
2.山东省建筑节能技术重点实验室；3.山东建筑大学地源热泵研究所 济南，250101
摘要：本文针对地源热泵应用大型化的工程实际，提出了采用代表性钻孔代替最不利钻孔来进行地埋管换热器的传热分析，提高了地埋管换热器设计计算的准确性；并给出了地埋管换热器的设计步骤与计算流程。最后本文利用升级版的GeoStar设计软件对学校建筑的地埋管换热器进行了优化设计与分析。分析结果表明在山东地区学校建筑中采用地埋管热泵系统是可行的，具有较高的能效比。
关键词：地埋管换热器，设计方法，代表性钻孔
引言
地埋管换热器设计的基本任务是在给定一系列设计参数的条件下（如当地的气候条件，地质条件，建筑物冷热负荷，U型管尺寸，热泵参数，岩土参数等），确保在系统整个运行期间内循环液的温度保持在限定的范围内，以保证系统的运行性能达到设计要求[1]。要达到这一目的应先建立精确的地埋管换热器传热模型。
竖直地埋管换热器由多个钻孔组成，各钻孔之间一般均为并联连接，通常在设计计算时假设每个钻孔的流量及承担的换热量均相同。因此可以选择一个代表性钻孔进行传热计算，并结合建筑负荷与设计参数进行地埋管钻孔长度设计或性能模拟。单个钻孔的传热是换热器传热分析的基础。鉴于问题的复杂性，工程上在处理单个钻孔U型管与地层的传热问题时，通常分为两部分来处理，一是钻孔内部的传热，二是由钻孔壁面至外部地层之间的换热。
我们在以往研究成果的基础上，基于热阻的概念，在导得单个钻孔每一个传热环节热阻的解析表达式的基础上，利用叠加原理处理复杂的多孔几何布置和负荷随时间的随机变化。这种方法的物理概念清晰，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，计算速度大大加快，单个算例的计算时间可以是有限元或有限差分法的数百分之一或更少，因此可以用来计算需要反复迭代的设计优化问题。具体的传热模型已在前两期专刊中详细介绍过。在已有传热模型基础上，我们开发了地埋管换热器的设计模拟软件GeoStar。
由于每个钻孔在钻孔排布中的位置不同，受到其他钻孔的热干扰程度不同，因此各个钻孔的孔外传热能力也不相同。理论上应计算出所有钻孔的孔壁温升，累加求出平均值，就可以得到整个换热器的平均温升，该温升值作为计算温度是最可靠合理的，但是采用此种方法进行计算，尤其是在钻孔数目比较多的情况下，会造成计算速度大大降低，浪费过多的时间，不适合工程设计计算。所以国外多数设计软件在计算的时候选用了最不利钻孔来计算，这样可以加快计算的速度，而且是偏于安全的设计。同时最不利钻孔的位置在埋孔排布中极易找到，软件在编程计算的时候又很容易实现。GeoStar-V2版本也是以最不利钻孔的孔壁温度作为整个钻孔群的平均温度来设计地埋管长度的。
早期地埋管热泵技术在国外主要应用于中小型建筑。近几年随着地埋管热泵技术在我国的迅速发展，特别是单个项目的规模越来越大，许多系统的钻孔个数已达到上百甚至上千。在如此大的钻孔群中最不利钻孔的温升与地埋管换热器的平均温升的偏差尤为严重。在这种情况下，若仍采用最不利钻孔作为设计依据必将导致设计钻孔长度过大，结果过于保守，增加系统的初投资。所以本文将通过大量计算寻找更合理的钻孔来代表地埋管换热器的平均温升，优化地埋管换热器的设计计算方法；并给出地埋管换热器的设计步骤与流程。
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