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地热换热器循环液温度设定以及浅析
李玉杰,刁乃仁
(山东建筑大学,山东济南250101)
摘要：运用地热之星、DeST2软件,计算和模拟了济南地区某实际工程地源热泵系统循环液出口温度对年运行费用和埋管量的影响。应用经济学动态分析法,比较直观地得出了济南地区地源热泵系统设计中最佳的出口温度范围。
关键词：地热换热器;设计;模拟;经济性
中图分类号：TU833+·3 文献标识码：B 文章编号：1004-7948(2008)05-0049-03
引言
近几年来,随着城市建设的规模和水平不断提高,地埋管地源热泵技术越来越受到人们的重视,国家也出台了相应的政策,推进该技术的推广与应用。本文运用建筑环境设计模拟分析软件DeST2,计算了济南某工程的逐日动态负荷,叠加为逐月负荷后,运用山东建筑大学地源热泵研究所自主研发的地热之星软件,进行了模拟和初步的分析与探索,利用ORINGIN7·5软件,分析了地热换热器中循环液温度对单位孔深换热量、地埋管长度和压缩机耗功等的影响,得出济南地区循环液最佳的出口温度范围。
1·地热之星软件
1·1软件介绍
山东建筑大学方舟地源热泵研究所在消化和吸收国外先进技术的基础上,结合自己在地埋管换热器传热模型理论上的研究成果,自主开发了竖直地埋管换热器设计与模拟软件———地热之星。该软件秉承了瑞典隆德大学(Lund University)开发的EDD程序和美国俄克拉荷马州立大学(Oklahoma StateUniversity)开发的GLHEPRO程序所采用的叠加原理方法的基本思路。
1·2软件的应用
在进行设计和模拟计算前首先应确定该系统所需的设计参数。
1·2·1地热换热器的描述
(1)钻孔参数:包括钻孔的几何分布形式、钻孔半径、模拟计算所需要的钻孔深度、钻孔间距及回填材料的导热系数等。
(2)U型管参数:包括管材、公称外径、壁厚及两支管间距。
(3)岩土参数:包括岩土的热物性和当地岩土的平均温度。
(4)循环液参数:包括纯水或选定的某防冻液。
1·2·2热泵的描述
热泵参数:部分热泵产品在循环液的不同入口温度时对应不同的制热量(或制冷量)及压缩机的功率。
1·2·3建筑物月负荷的描述
逐月负荷参数:根据建筑环境设计模拟分析软件DeST2确定建筑物的逐日负荷,叠加得出逐月负荷。
2·地源热泵模拟计算
2·1地热换热器的相关参数(见表1)
2·2建筑物的逐月负荷
运用DeST2计算出全年逐日负荷后,进行叠加可得全年逐月负荷,如表2所示。
结合冷热负荷相应时间,进一步计算得知:热负荷为24·5kW,冷负荷为45·8kW。
2·3热泵机组的能耗模型
地热之星软件在数学模型方面有很大改进,在计算钻孔外热阻时采用了有限长线热源温度响应的解析解,弥补了纯粹数值解的不足,计算更快捷,适应性更强;在计算钻孔内热阻时采用了准三维模型的解析解,可计算单U和双U型管的钻孔,模型更精确,使用范围更广。
根据2·2,热泵机组选取Trane,型号WPUE240H。其能耗模型包括地热换热器出口温度和几个与机组性能相关的系数,分制冷和制热两种工况描述,软件中热泵机组的能耗模型公式如下。制冷工况下:
根据建筑物负荷选定热泵机组,查阅所选机组性能参数表格,输入软件即可拟合得出:
a=13·27106, b=0·34511,c=0·00046,d=99·94044, e= - 1·04423, f= 0·00662, g=16·64136,h=0·20898,i=0·00339,j=48·64183,k=1·57012,l=0·00974。
式中:P—压缩机输出功率,kW;
E—循环液进入热泵的温度,℃;
Qc—制冷量,kW;
Qh—制热量,kW。
2·4模拟与分析
根据济南地区的实际情况,循环液中拟添加防冻液氯化钠11%,其凝固点为-7·5℃,循环液温度设定的最低温度至少应高于-3·5℃。通过表2计算可知,热负荷为24·5kW,冷负荷为45·8 kW,冷热悬殊。通过地热之星,模拟时间设定为10年。
2·4·1出口温度对埋管长度的影响(见表3,图1)
2·4·2出口温度对初投资和运行费用的影响(见表4,图2)
钻孔成本按80元/m进行折算(未包含地下换热器部分);济南地区电价按0·5元/kWh。
由表4知:随着出口温度的提高,初投资明显减少,但由于热泵机组COP值变小,运行成本略微增加。
3·费用年值法的运用
经济分析方法包括动态分析法和静态分析法两种。本文拟采用动态的分析法———费用年值法。费用年值是将方案计算期内不同时点发生的所有费用支出,按一定折现率换算成与其等值的等额支付序列年费用,用符号AW表示,即:
式中:AW—费用年值,万元;
C0—初投资,包括设备购置费等,万元;
i—利率,一般取8%;
m—使用寿命,年;
C—年运行费用,万元。
地源热泵系统的使用寿命按40年计算,分别计算循环液不同出口温度时的费用年值,计算结果及变化曲线分别如表5和图3所示。
4·结论
(1)循环液温度的设定对地热换热器的单位孔深换热量和初投资都有很大影响。最低温度变化的影响比较小;然而最高温度的设定影响较大,如果增大,单位孔深换热量增大,所需埋管量就会减少,初投资减少。如果减小,单位孔深换热量减少,所需埋管量增加,初投资增加。因此,实际设计计算时,适当增大最高温度或添加防冻剂,初投资节省效果比较可观。
(2)循环液出口温度的设定同时影响到热泵的效率。夏季,出口温度高,热泵机组的能效比EER值降低,增加了运行费用;冬季,添加防冻剂,出口温度可以适当降低,热泵机组的性能系数COP降低运行费用增加。
(3)初投资与运行费用间是有矛盾的,循环液出口温度设定的高低,直接影响到初投资和运行费用的平衡。济南地区主要以冷负荷设计为主,因此系统的经济性主要受夏季出口温度的影响,通过图可以看到,济南夏季最佳出口温度为29~35℃,与此对应的冬季出口温度为5~10℃。
参考文献
[1]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源热泵技术[M].北京:高等教育出版社,2006.
[2]曲云霞,张林华,方肇洪,等.地源热泵名义工况探讨[J]西安建筑科技大学学报,2003,35(3):221-225.
[3]马最良,吕悦.地源热泵系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2006.
[4]盛晓文.供热技术经济学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2001.
[5]毛会敏,姚杨,马最良.地埋管地源热泵地埋管换热器最佳出口温度的确定[C].2006年暖通空调年会文集,2-4.作者简介:李玉杰(1984-),男,山东荷泽人,在读硕士研究生,研究方向:建筑节能与能源利用。
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