水水换热器
换热器种类
新闻动态
考虑参数随机特征的地源热泵换热器可靠性设计点击：2052 日期：[ 2014-04-26 21:57:42 ] |
| 考虑参数随机特征的地源热泵换热器可靠性设计 管昌生 陈绪义 武汉理工大学 摘要：分析了地源热泵换热器设计参数的随机影响因素。结合工程实例,在考虑总负荷及单位管长换热量变异系数的基础上,计算得到了具有一定系统可靠度的埋管管长,并讨论了设计参数变异性对管长计算结果的影响程度。 关键词：随机特征 地源热泵 换热器 可靠性设计 0 引言 地源热泵换热器的传热是一个复杂的、非稳态的过程,所涉及的时间很长,达数月甚至数年。该传热过程所涉及的几何条件和物理条件也非常复杂。一般说来,传热模型应能描述土壤热物性、密度、温湿度,管材、管径,管中流体物性、流速等诸多因素对传热的影响,但这将使数学求解变得十分困难,因此通常的研究都使用简化的传热模型。目前国外应用比较广泛的传热模型主要有3种:V CMei模型, IGSHPA模型和NWWA模型。这些模型或考虑的影响因素不同,或在计算方法上有所差异,但本质上都是确定性模型[1-7]。 笔者曾对地源热泵换热器的随机影响因素进行过分析,并提出了地源热泵换热器的可靠性设计方法[8]。本文在分析换热器设计参数随机影响因素的前提下,对可靠性设计方法进行了改进,并结合工程实例与常规设计方法进行了对比分析,进一步验证了可靠性设计的可行性。 1 设计参数随机影响因素分析 在换热器的经验设计公式中,单位管长换热量、设计总负荷、管长是主要的计算参数。然而,这些参数总受到一些不确定因素的影响,很难得到准确的值。 1.1 影响单位管长换热量的随机因素 地源热泵换热器的换热性能与岩土热物性密切相关,而地下岩土成分复杂,其热物性具有不确定、不均匀性,加上地下水渗流、管群间的热干扰、岩土冻结等的影响,势必导致换热器周围传热的不稳定。另外,建筑负荷的变化也会引起地下换热量的动态变化[9]。因此,设计中单位管长的换热量具有随机性,这给常规设计带来了很大的困难。 1.2 影响设计总负荷的随机因素 建筑物设计总负荷的确定跟建筑物面积、围护结构、日照条件、季节气候、气温、用户使用情况等因素有关。而地源热泵系统运行时间长达数十年,部分因素难免有所波动和变化,使得设计总负荷的取值充满随机性。 1.3 影响地埋管换热器运行的随机因素 地源热泵换热器的运行环境是地下岩土,未知因素很多。在长期的吸放热过程中,不平衡温度会使岩土的热应力发生变化,影响岩土结构。另外,化学腐蚀、微生物生长、地震等地质灾害这些不确定因素都会影响换热器的运行,甚至使部分地埋管受到破坏,失去作用。因此,地下换热器不一定按照最初设计状态运行。 2 可靠性设计分析 管长的基本经验公式为 3 工程实例对比分析 3.1 工程概况 位于湖北省武汉市硚口区古田三路的某学院图书馆及教员办公楼为一类公共建筑,建筑总面积为35 322 m2。计算得图书馆和办公楼的总冷负荷为3 161 kW,热负荷为2 119 kW,同时使用系数为0.8。实际冷负荷为2 529 kW,实际热负荷为1 696 kW。 3.2 常规设计计算 该项目采用竖直单U形地埋管,设计总负荷按实际冷负荷2 529 kW计算。钻孔总数的计算式为 式中N为钻孔总数(取整);n为U形管支管根数,对单U形管,n=2;H为单个钻孔深度,m。该项目实测q为36 W/m(平均值),单个钻孔深度为60 m,计算得埋管长度为70 250 m,钻孔总数为586个。 3.3 可靠性设计计算及分析 从表1~3可以看出,μL随系统失效概率Pf的增大而减小,随管长变异系数δL减小而减小,随单位管长换热量q的变异系数δq的减小而减小。δq,δL的变化对μL的影响程度有所不同。分别取Pf为0.01,0.05,0.10,对表1~3作对比分析,结果见图1~3。 从图1~3可以看出,δq的变化对管长的影响较大,在Pf增大的情况下,δq的变化对管长的影响相对减小。另外,在其他条件相同的情况下,δq越大,μL越长。从图中的单条曲线可以看出,δL小于0.01时,δL对μL的影响很小。 μq=36 W/m,μQ-=2 529 000 W,δQ-=0.01,δL=0.001时,μL和δq的变化对系统失效概率的影响如图4所示。从图4可以看出,系统失效概率Pf随μL的增大而减小,变化速度因δq的大小而异,δq越大,变化越平缓,δq越小,变化越剧烈,但总体都随μL的增大趋向Pf=0。 3.4 常规设计与可靠性设计的对比分析常规设计计算得到的埋管总长度为70 250m,其计算为定值计算,没有考虑建筑设计总负荷、地埋管在系统长期运行中的可变性以及地下岩土热物性的不确定性。因此这种设计方法较多地依赖工程经验,对系统长期有效运行缺乏可靠性保证。 通过可靠性设计计算,考虑L,q,Q-的变异性,可以在较低的失效概率下得到相应的管长均值。通过对各因素对μL影响的规律进行分析,能够找到既经济又有很高可靠度的μL值。如表3中μL的计算值为71 537 m,相对于常规设计管长增加1.8%,实际钻孔深度增加0.9%,但此结果分别考虑了L,q,Q-(0.1%,1%,1%)的变异性,且系统可靠性达90%。因此采用可靠性设计方法计算管长具有较好的可靠性。 4 结论 本文基于可靠性理论,考虑了地源热泵换热器设计参数的随机性,结合工程实例进行了设计计算,并与常规设计进行了对比分析。结果表明,采用可靠性设计方法计算地埋管管长具有较好的可靠性;L,q,Q-的变异性对管长的可靠性计算结果有不同影响,其中δq对计算结果影响非常显著,δL小于0.01时对结果影响甚微。本文可靠性设计中μQ-取的是常规设计的Q-值,实际上常规设计中Q-的取值偏保守,接近极值,因此本文可靠性设计结果还有优化空间。正确确定q,Q-的分布范围及均值,对可靠性设计有重要意义。 参考文献: [1] 方肇洪,刁乃仁,曾和义.地热换热器的传热分析[J].工程热物理学报,2004,25(4) [2] 赵军,张春雷,李新国,等.U型管埋地换热器三维传热模型及实验对比分析[J].太阳能学报,2006,27(1) [3] 何雪冰,丁勇,刘宪英.地源热泵埋管换热器传热模型及应用[J].重庆建筑大学学报,2004,26(2):76-80 [4] 魏紫娟,秦萍.土壤源热泵地下垂直埋管换热器常用传热模型的研究[J].制冷与空调,2004(3):17-21 [5] Georgios F, Soteris K. Ground heat exchangers—areview of systems, models and applications [ J].Renewable Energy, 2007,32(3):2461-2478 [6] Zeng H Y, Diao N R, Fang Z H. Heat transferanalysis of boreholes in vertical ground heatexchangers[J]. International Journal of Heat andMass Transfer,2003,46(4):4467-4481 [7] Cui P, Yang H X, Fang Z H. Heat transfer analysisof ground heat exchangers with inclined boreholes[J]. Applied Thermal Engineering, 2006, 26 (1):1169-1175 [8] 管昌生,刘卓栋,陈绪义.地源热泵地埋管可靠性设计方法研究[J].节能,2008(10):29-33 [9] 杨卫波,施明恒.基于先热源理论的垂直U型埋管换热器传热模型的研究[J].太阳能学报,2007,28(5) |
| 上一篇：热泵冷热水机组总体布局与主要部件配置 | 下一篇：竖埋U型管换热器逐时模拟软件——西华地热 |