1、    土壤源熱泵單元埋管換熱器熱響應(yīng)曲線熱電比擬分析                         更新時間：2008-07-16 13:55:06              

2、              曹琦：西安交通大學(xué)教授，陜西智能建筑學(xué)會常務(wù)委員，陜西暖通學(xué)會會員，西安制冷學(xué)會會員，陜西亞特安裝工程公司總工程師。熟悉真空技術(shù)、制冷技術(shù)、空調(diào)技術(shù)、空調(diào)自控技術(shù)、智能建筑技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。先后發(fā)表 多篇論文，出版專著部，教材部。曹教授調(diào)試過很多大型空調(diào)工程，積累了豐富的工程經(jīng)驗。他從“系統(tǒng)思考”的理念審視中央空調(diào)系統(tǒng)和水泵輸水系統(tǒng)， 發(fā)表多篇論文剖析業(yè)界現(xiàn)行的節(jié)能系統(tǒng)不節(jié)能的實質(zhì)，并開發(fā)出了系統(tǒng)思考的理

3、念空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用的整套技術(shù)。目前，曹教授主要致力于地源熱泵、冰蓄冷空調(diào)及節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)新型技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用研究。曹教授堅信，中央空調(diào)是按照系統(tǒng)的模式運行的，它的集成必須按“系統(tǒng)思考”的理念進(jìn)行。    【文章編號】（ ）     【摘 要】從整體用熱電比擬法，由土壤源熱泵單元埋管換熱器的熱響應(yīng)特性曲線推導(dǎo)出了單元埋管換熱器性能的工程計算方法。雖然簡單、物理概念清晰，但如果和土壤源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器在地下取熱或放熱量累計測量裝置相結(jié)合，又不失為一種準(zhǔn)確的工程計算方法。  &

4、#160; 【關(guān)鍵詞】熱電比擬； 土壤源熱泵； 埋管換熱器性能    【中圖分類號】   【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】     引言    我國現(xiàn)行的能源政策是“節(jié)能優(yōu)先，效率為本”，這樣節(jié)能、高效、屬于再生能源利用的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)就歷史地成了我國建筑節(jié)能的主角。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的特點是“地下的均不可見，地上的基本相同，而關(guān)鍵的是地下。”因此無論從哪個方面看，今天流行的中央空調(diào)應(yīng)當(dāng)是地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。世界上流行地源熱泵

5、空調(diào)系統(tǒng)多是土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，它的關(guān)鍵是當(dāng)?shù)赝寥罒峁ば阅艿臏y量和當(dāng)?shù)赝寥罒峁ば阅芟嗥ヅ涞摹⒈ＷC型管換熱器高效傳熱、井回填料成分的配比，并從當(dāng)?shù)赝寥罒峁ば阅茴A(yù)測出不同土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案下地溫逐年變化趨勢。目前這些工作需要價格昂貴的進(jìn)口設(shè)備和專用軟件的計算來完成。因此，業(yè)界迫切需要一種簡單明了的土壤源熱泵單元埋管換熱器性能的工程計算方法。     本文從整體上把握，用熱電比擬法分析土壤源熱泵單元埋管換熱器熱響應(yīng)曲線特性，從而得出當(dāng)?shù)赝寥罒峁ば阅芤约暗叵氯　⒎艧嵋鸬耐寥绖討B(tài)平均溫度的變化、逐年平均溫度變化等。計算物理模型簡單明了，概念清晰。&

6、#160;    土壤源熱泵單元埋管換熱器熱響應(yīng)曲線性能分析     垂直埋管土壤源熱泵單元埋管換熱器物理模型如圖  所示。一個直徑×深度× 的井管埋有 型管便構(gòu)成了單元埋管換熱器。這樣，從整體上看， 型管是埋管換熱器的初級，直徑×深度× 的土壤柱體便成了單元埋管換熱器的次級兼絕熱的蓄熱裝置。其中，為地下單元埋管換熱器的影響直徑，在直徑 處土壤保持在基礎(chǔ)溫度  不變。土壤的平均

7、基礎(chǔ)溫度  可以通過測量靜置若干天后  型管內(nèi)開始流出的水溫或通過在  型管外安裝的溫度傳感器測量。的大小約為 。這樣，單元埋管換熱器的換熱模型就變?yōu)槿鐖D  所示的冷凝換熱或蒸發(fā)換熱的換熱器模型。用熱電比擬法進(jìn)行地下?lián)Q熱器的分析，如圖  所示，在地下放熱或取熱的過程，猶如電路中電路向電容充電的過程。                

8、;       這個回路是一階慣性回路。因此，土壤源熱泵熱響應(yīng)測定的方法就是，在  時刻通過  型管向地下突然加一恒定階躍熱量流干擾，換熱器對數(shù)溫度差和時間的函數(shù)關(guān)系，就是單元埋管換熱器熱響應(yīng)曲線，如公式（）所示：           ·（）       （）   &#

9、160;式中，為第  時刻單元垂直埋管換熱器對數(shù)溫度差，也就是  熱回路總的輸入溫壓，； 為恒定階躍熱流量干擾， ； 為單元埋管換熱器熱阻的平 均熱阻值，； 為單元埋管換熱器熱容的平均熱容值， ；為從恒定階躍熱流量干擾加上后到第  時刻的時間間隔，。      從公式（）可以看出，方程只有 、 兩個未知數(shù)，要確定熱回路 、 的數(shù)值，在熱響應(yīng)曲線·（） 上任意

10、選取兩個點，解聯(lián)立方程就可以了。單元埋管換熱器的對數(shù)傳熱溫差 由公式（）計算。                    式中，為單元地埋管換熱器對數(shù)傳熱溫度差，； 為單元地埋管換熱器進(jìn)口水溫，； 為單元地埋管換熱器出口水溫，； 為單元地埋管換熱器土壤基礎(chǔ)溫度，。    單元地埋管換熱器的時間常數(shù)由公式（）計算： 

11、;                    ·          （）    式中，為單元地埋管換熱器的時間常數(shù)，。    上面敘述的是用熱電比擬恒定熱流量熱響應(yīng)法測定單元地埋管換熱器的熱阻、熱容和時間常數(shù)的方法

12、。單元地埋管換熱器的熱容也可以根據(jù)不同地質(zhì)層的地質(zhì)構(gòu)造、相應(yīng)的容積和容積比熱逐段用公式（）加和求得：                      式中，為第  層地質(zhì)層的體積3； 為第層地質(zhì)層的體積比熱，·。西安某地巖土體積熱物理性質(zhì)見表 。       

13、60;               從表  中的數(shù)據(jù)可以求得西安某地巖土體積平均比熱 ·。假設(shè) × 土壤柱體的體積為 ，那么土壤柱體的熱容量也可以用公式（）計算：              ·  &#

14、160; （）    求出 × 土壤柱體的熱容量  后，就可以從測量得到的時間常數(shù)  用公式（）求得平均熱阻  進(jìn)而從圓管傳熱模型求得土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)：                      式中，為土壤平均導(dǎo)熱系數(shù)，（·）；

15、為管的內(nèi)徑，。     由于  型管單元埋管換熱器和土壤柱間的換熱主要發(fā)生在下行管中， 管的內(nèi)徑  大大小于土壤的熱影響半徑 ，因此按照國際流行的做法也有把單元埋管換熱器當(dāng)作線元換熱模型處理，假定埋管換熱器 型埋深為，那么  型管單元埋管換熱器的平均換熱系數(shù)  由公式（）計算：             

16、60;       （·）          （）    式中， 為  型單元埋管換熱器的平均換熱系數(shù)， ··）；有了上述的測量參數(shù)，就可以對單元（埋管換熱器的性能進(jìn)行全面計算。 型管單元埋管換熱器的換熱量  由公式（）計算：     &#

17、160;              式中， 為  型管單元埋管換熱器的換熱量，； 為  型管單元埋管換熱器初級、次級對數(shù)傳熱溫度差，由公式（）計算，； 為通過  型管單元埋管換熱器初級水的質(zhì)量流量；c為水的 定壓比熱，·；為  型管單元埋管換熱器的初級水進(jìn)出口溫度差， ，。    

18、; × 土壤柱體溫度上升速率由公式（）計算：                （）    式中， 為溫度上升速率，。整個夏季向 × 土壤柱放熱總量  由公式（）計算：            &

19、#160;      式中，st為整個夏季向地下放熱總量，；t為第個個采樣周期平均傳熱速率，；t為采樣系統(tǒng)的采樣周期，。     整個夏季，× 土壤柱體的平均溫度升由公式（）計算：                   （）    式中，&#

20、160;為整個夏季，×土壤柱體的平均溫度升，。    同樣，整個冬季，× 土壤柱體的平均溫降由公式（）計算：                       （）    式中， 為整個冬季， ×土壤柱體的平均溫度降； 為整個

21、冬季從地下取熱總量，。    一年從×土壤柱體總放熱取熱量差由公式（）計算：                  （）    式中，為年在 ×土壤柱體里總放熱取熱量差，。如果，則是向地下放熱，如果，則是從地下取熱。    一年 ×土壤柱體的平均溫度升 由公式（）計算：            &