重庆地区地埋管地源热泵系统换热优化及分区运行策略研究
作者单位：重庆大学
学位级别：硕士
导师姓名：陈金华
授予年度：2022年
学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程]
摘 要：地埋管地源热泵系统选用温度场相对稳定、温度范围适宜、蓄热性能强的浅层岩土体作为低温热源,相较于传统空调系统更加高效节能。分析换热因素在实际运行过程中的综合影响作用,从而优化地埋管换热器的换热性能,能够充分提升系统运行能效。此外分区间歇运行方式能够使部分地埋管换热器运行一定时长后处于间歇状态从而获得温度恢复,再度运行时换热性能也将显著提升。本文依托重庆地区某医疗建筑的实际工程项目,采用并建立地埋管换热器分层换热模型,对换热因素进行了分析,并研究了换热因素在设计阶段对系统实际运行能耗的影响显著性;构建地埋管换热器恢复模型开展温度恢复特性研究,从而确定了间歇运行单位周期;最后在此基础上对分区间歇运行策略进行了优化研究。根据现场热响应测试结果,建立了基于土壤综合热阻的地埋管换热器分层换热模型,并通过实测数据验证了其准确性,作为换热优化方案的评估对比基础。采用该模型,对管内流速、埋管深度、回填材料以及支管间距4个换热因素进行了单一影响分析,并进一步通过正交试验表对4种因素的不同水平进行设计方案组合,可较直观地确定地埋管换热器的理论换热性能与设计参数。实际运行过程采用变流量调节方式,实际出水温度与设计值相比将会产生明显差异,导致此差异的直接原因是设计钻孔数。设计阶段中换热量较大的方案由于设计钻孔数较少,在实际运行过程中反而会由于管内流速的增大对实际出水温度产生制约作用。经过显著性分析,确定在设计阶段埋管深度受到的制约影响最小,是影响实际连续运行能耗的显著性因素,原因是埋管深度的增大将会使设计出水温度明显上升,即使设计钻孔数减少也将保持较强的换热性能。最终选定管内流速0.4m/s,埋管深度100m,回填材料导热系数2.2W/(m·K),支管间距90mm为最佳换热优化方案。连续运行能耗与地埋管换热器间歇期温度恢复特性的确定是分区间歇运行研究的基础。本文建立了基于径向节点热平衡方程组的二维恢复模型并验证其准确性,在对比验证的过程中发现在间歇初期,钻孔内各换热介质内部轴向的换热过程不可忽略。采用三维恢复模型分析了回填材料、土壤热物性参数以及运行时长对温度恢复性能的影响,结果表明回填材料与土壤的热扩散率越高,对温度恢复性能越有利。地埋管换热器温度恢复是钻孔内外整体温度趋于一致的过程,回填材料由于容积占比过小,因此对恢复性能的影响很小,而土壤的热物性参数对恢复性能的影响较显著。运行时长的增加将会略微提升温度恢复速率,然而由于初始温度的差异,较长的运行时间所对应的最终温度恢复效果仍较差。对比研究的计算结果显示较高的温度恢复速率与较大的温度恢复程度均集中在0～24h,因此建议以24h作为间歇运行的单位周期。根据冬季负荷率的频率分布情况,确定了两种地埋管换热器分区方案。在此基础上结合地埋管使用率与单日最大负荷率的匹配模式,通过Python编程语言实现了一种分区间歇运行控制算法,可循环统计各分区的累计间歇天数,以此为依据进行各分区的运行/间歇时段组合,即可完成分区间歇运行策略的最终制定。本文选定了4种匹配模式,其中模式2、4侧重提高地埋管换热器运行期间的换热性能;模式3侧重增加地埋管换热器的间歇天数;模式1在一定程度上对两个侧重点进行了兼顾考虑。根据最终的系统能耗计算结果,相较于连续运行,策略1～4对应的平均出水温度分别提升了0.66℃、0.75℃、0.41℃、0.68℃;对应的节能量分别为2729k W·h、3478k W·h、825k W·h、3433k W·h。因此确定分区间歇运行策略2最佳,建议分区间歇运行策略的制定过程中,不宜一味追求间歇时长而降低地埋管运行时段的使用率,应在保证地埋管换热器在较低负荷率时段能够间歇的前提下,尽量提升参与运行的地埋管分区数。
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