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竖埋U型管换热器逐时模拟软件——西华地热点击：2103 日期：[ 2014-04-26 21:57:42 ] |
| 竖埋U型管换热器逐时模拟软件——西华地热 苏 华,张 燕,康一亭,司子辉 (西华大学能源与环境学院,四川成都610039) 摘 要：地下换热器的设计是地源热泵工程成功与否的关键。进行逐时模拟是设计地下换热器最科学的方法。自主开发了地源热泵U型管地下换热器逐时模拟软件———西华地热。该软件包含前处理、计算核心以及后处理三大模块。基于建筑逐时负荷,可以逐时计算水温及地温。验证表明,软件准确可靠。 关键词：地源热泵;U型管地下换热器;模拟;软件 中图分类号:TU833+. 3 文献标识码:A 0 引言 地源热泵空调作为一种利用浅层地热能的可再生能源技术,具有高效、节能、环保的优势,在国内外得到广泛应用。我国对地源热泵空调的研究应用起步于上个世纪90年代,目前每年以20% ~25%的速度增长,规模从中小型建筑转向大型建筑、建筑群、小区,有的工程达到几十万平方米[1-2],其中竖埋U型管地源热泵有较多的应用。 地下换热器设计合理与否是地源热泵工程成功与否的关键。而地下换热器换热模型是科学设计的基础。国内外很多学者对地下换热模型进行了研究,目前不下30余种[3]。国内目前采用较多的是国际地源热泵协会模型及其软件GLHEPRO、GLD[4],以及方肇洪教授主持开发的地热之星[5]。这两种软件模型都采用近似解析模型,全年计算以建筑月负荷为基础。而目前建筑全年逐时负荷计算已经比较普及,直接以逐时负荷为基础进行地下换热器模拟是最准确的方法。 本文开发了一种地下换热器全年逐时模拟软件———西华地热,在建筑全年动态负荷基础上,可以逐时模拟地下换热器进出水温,换热孔周围岩土温度,为地下换热器长期运行性能预测提供依据。该软件计算速度快,很适合工程方案筛选。 1 地下换热器的逐时模拟方法 1·1 负荷计算 (1)首先进行建筑全年负荷分析。建筑逐时负荷计算可以采用DOE、Dest等软件。 (2)根据负荷特点确定适当的冷热源方案(包括机组配置以及开机模式)。针对每种方案确定出地源热泵系统承担的负荷。 (3)根据地源热泵机组的制冷EER和供热COP,计算出地下换热器的全年负荷。 冷热源方案以及开机模式的选择以尽量保证地下换热器冷热平衡为原则。 1·2 地下换热器逐时模拟 (1)根据地下换热器负荷、地质热特点初步确定换热孔数量、深度。 (2)利用西华地热逐时模拟软件,输入土壤物性参数,负荷数据等对地下换热器进行20~30年的模拟,观察地温和换热器进出水温的变化。 (3)根据模拟结果判断热泵机组能否正常运行。若符合要求,则方案确定,否则重新规划系统,重新模拟。 2 逐时模拟软件———西华地热 2·1 西华地热模型简介 西华地热是在参考现有计算模型[3, 5-15]基础上,采用数值方法[16]独立开发了U型竖埋管换热器动态模拟软件。该软件采用圆柱热源模型,把换热区域分成钻孔内和钻孔外,其中钻孔内的传热简化为稳态传热,孔外传热认为是非稳态的。忽略轴向导热,不考虑地面温度波动和埋管底部传热的影响。水温和地温都取平均值进行能量平衡。与现有众多模型不同的是,笔者自主开发的软件对钻孔外区域直接进行数值求解,没有采用g函数法基础上的解析解。模型适应于任意变化热流工况。数值计算时间步长可以取1小时,也可取2~5分钟。据笔者所知,国内此前还未见自主开发的软件能对地下换热器进行快速的逐时模拟。 在土壤热物性参数、设计流量确定后,该模型可以设定换热器入口温度已知,计算出口温度、地温以及热量;也可以设定换热量已知,计算进出口温度和地温。 2·2 西华地热总体框架 西华地热软件总体框架如图1所示。主程序之下包含3大模块: (1)前处理程序,用EXCEL+VBA完成,对大多数工程师而言,Excel使用都不成问题。前处理程序中按规定格式填写相关数据,然后自动输出到一个后缀为inp的文本文件中,供逐时模拟程序读取。(2)逐时模拟程序,用VC++编写,读取输入数据,进行计算,输出结果文件。(3)后处理程序,用EXCEL+VBA完成,读取模拟结果,自动生成典型曲线。用户也可用EXCEL直接打开*. csv文件进行处理。 2·3 西华地热主要界面 该软件主界面如图2所示,通过菜单操作可以分别进入前处理(图3)、计算(图4)以及后处理模块。图5为某案例计算得到的换热孔周围岩土温度,全年温度高于26℃,不低于14℃,从保证高效运行的角度看,地下换热器设计比较合理。 3 西华地热软件验证 采用于某场地进行热响应实验得到的数据进行对比。在设定入口温度的情况下,双U管出口实测温度和计算温度如图6、图7所示。 从图6、图7可以看出,不管是吸热还是放热,出口温度模拟值与实测趋势一致,说明模型整体上符合物理规律。出口温度模拟值与实测的偏差不大,绝大部分情况的偏差在1℃以内。偏差部分来自于模型及算法的近似,也有可能来自于实测数据本身。总之,西华地热软件准确可靠,可以用于工程设计。该软件动态模拟一年的运行情况只需机时1分钟,可以方便用于多种方案的分析筛选。 4 结语 介绍了西华地热模拟软件的框架及主要功能。验证表明,模拟软件准确可靠、计算快捷,可用于工程设计。 限于篇幅,模型将另文阐述。同时模型还可以进一步改进: (1)考虑地面气象条件的影响。(2)考虑换热器竖向的变化。 参考文献：略 |
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