地埋管换热器传热分析计算方法优化及分区运行可行性研究

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地埋管换热器作为地源热泵系统的重要部分,其地下换热情况会直接影响系统运行,目前常用的传热分析计算方法因忽略土壤温度场的变化对各埋管承担负荷的影响,对地埋管换热器的长期运行时的传热过程分析的准确性产生一定影响。另外,当前对于地源热泵系统运行的研究,涉及的地埋管换热器运行方式大都为全开全停,即使部分负荷时,埋管也全部投入运行,导致中心区域冷热量累积严重,系统整体效率下降,甚至无法正常运行。为此,本文对地埋管换热器传热分析计算方法及分区运行可行性展开研究。本文采用自适应负荷法对地埋管换热器传热分析过程进行计算,该方法考虑了系统运行时土壤温度变化对各埋管实际承担传热负荷影响的实际情况,消除了各埋管承担负荷为均分负荷的缺陷。经计算,地埋管换热器长期运行后,各管承担换热量并不相等,管群周围区域埋管因散热条件优于中心区域埋管,故承担较多换热量。运行20年后,管群区域土壤温度仍均匀分布,这说明当前业内普遍认为地埋管换热器长期运行中心区域会存在较严重冷热量累积问题的认知是值得商榷的。在自适应负荷法计算过程中,因为需要对地埋管换热器循环液进口温度进行试算,所以计算过程复杂,耗时较长。为解决该问题,本文通过改变温度响应函数计算形式、削减空间计算域、削减时间计算域、转变算法的方式对自适应负荷法的计算过程进行简化,大幅度缩短了计算耗时。当采用改变温度响应函数计算形式及转变算法进行简化时,计算所得结果偏差较小,并且可适用于任何条件;当采用削减空间计算域进行简化时,虽然计算所得结果偏差较小,但其只适用于占地面积较大的地埋管换热器的简化计算;当采用削减时间计算域进行简化时,计算所得结果偏差较大,并且该方法只适用于简化运行时间较长的地埋管换热器的传热计算过程。因此,对于计算精度要求较高的地埋管换热器传热计算,建议通过改变温度响应函数计算形式、转变算法、削减空间计算域的方式对其计算过程进行简化。之后,本文又以济南地区某建筑为例,基于优化后的传热分析计算方法计算分析了地埋管换热器分区运行对系统的实际影响,并与不分区运行结果对比。结果表明,与不分区运行相比,分区运行可一定程度缓解埋管区域土壤冷热量累积,抑制夏季埋管内循环液温度的升高,延长整个地源热泵系统的运行时间;同时,能有效减少系统部分耗电量,降低运行费用,减少废气排放。
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