閉式地表水源熱泵系統(tǒng)的滯流型水體與換熱器性能研究.pdf

1、地表水源熱泵作為地源熱泵的一種，是一項(xiàng)節(jié)能環(huán)保的可再生能源技術(shù)，可節(jié)約空調(diào)采暖能耗，建造節(jié)能建筑，尤其是我國(guó)江河湖海資源豐富，具有廣闊的市場(chǎng)和迫切需求，但在推廣應(yīng)用過(guò)程中存在缺乏地表水體溫度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和盤(pán)管換熱器性能參數(shù)等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)環(huán)境的承載能力評(píng)估無(wú)依據(jù)等問(wèn)題。針對(duì)地表水源熱泵尤其是滯流型閉式系統(tǒng)目前的現(xiàn)狀，由于機(jī)房及室內(nèi)系統(tǒng)研究應(yīng)用較為成熟，本文重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中水體溫度、盤(pán)管換熱性能和水體承載負(fù)荷三方面進(jìn)行了理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用

2、分析:在建立水體模型得到水體溫度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)水體中的盤(pán)管換熱性能研究得到設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)，同時(shí)評(píng)估換熱負(fù)荷下水體的熱承載能力。本文主要研究工作及結(jié)論如下:
　　 1)通過(guò)研究滯流型地表水體溫度換熱規(guī)律，建立了完整的三維水體動(dòng)態(tài)耦合模型，并對(duì)CFD軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，輸入了全年動(dòng)態(tài)氣象和邊界參數(shù)——考慮了大氣溫度、太陽(yáng)能輻射、蒸發(fā)換熱、巖土壁面和底部溫度等因素影響。通過(guò)大量的數(shù)值模擬計(jì)算，得到了水體全年逐時(shí)溫度分布結(jié)果，根據(jù)垂向溫度

3、分布規(guī)律分析了地表水源熱泵利用:由于太陽(yáng)能輻射的影響，在水表3m以內(nèi)溫度梯度隨外界影響的波動(dòng)幅度較大，占垂向溫度梯度分布的70％以上，而5m以下則較為平緩穩(wěn)定，夏季約為22℃～24℃。因此利用地表水源作冷熱源，建議水體的最小深度為3m，理想深度為5m以上。
　　 2)由5m、10m和20m不同深度水體在上海典型氣象年下全年逐時(shí)水溫計(jì)算結(jié)果得出，整個(gè)水體與氣溫的全年平均溫度相當(dāng)，但波動(dòng)幅度大大降低，環(huán)境溫度最高為36.8℃，而水體

4、的最高溫度僅為27.2℃（5m水體）、25.7℃（10m水體）、24.5℃（20m水體）;環(huán)境溫度最低為-4.5℃，而水體的最低溫度僅為3.1℃（5m水體）、3.9℃（10m水體）、6.4℃（20m水體），體現(xiàn)了水體良好蓄能和溫度相對(duì)穩(wěn)定特點(diǎn)，因此地表水源比較空氣源是良好的空調(diào)冷熱源，而且夏季優(yōu)勢(shì)明顯;同時(shí)可以看出，對(duì)不同深度水體，水體越深，蓄能和隨環(huán)境溫度變化的滯后性能越強(qiáng)，溫度波動(dòng)幅度也就越小，冷熱源優(yōu)勢(shì)越顯著。通過(guò)長(zhǎng)期和短期實(shí)測(cè)數(shù)

5、據(jù)的驗(yàn)證對(duì)比，表明全年長(zhǎng)期數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律，模擬值與實(shí)測(cè)值具有較好的吻合性，可作為研究應(yīng)用的基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。
　　 3)建立了較為系統(tǒng)和完整的適合不同管型的三維模型，采用混合網(wǎng)格的方法，在交接面進(jìn)行分割有效解決了數(shù)值計(jì)算精度、容量和速度問(wèn)題，進(jìn)行了多物理場(chǎng)的耦合求解，模擬得出了不同類型盤(pán)管換熱器（螺旋立管、螺旋平鋪管和U型平鋪管）的傳熱結(jié)果。比較分析了不同管型的傳熱性能參數(shù):螺旋管本身由于通道彎曲造成環(huán)流增強(qiáng)擾動(dòng)，有利于管內(nèi)流體的

6、換熱。但是由于管內(nèi)換熱熱阻占總熱阻的比例僅為約3.5％，因此該優(yōu)勢(shì)影響非常小。螺旋立管由于管型布置因素，換熱管散熱后的蓄熱，具有兩方面矛盾效應(yīng)，正面效應(yīng)是水溫提高加大密度小的流體浮升力、促使自然對(duì)流換熱系數(shù)加大，反面效應(yīng)則造成水體溫升而降低實(shí)際的管內(nèi)外換熱溫度差，反過(guò)來(lái)影響換熱。對(duì)不同管型，需要綜合分析該兩方面的效應(yīng)，作用大小不同導(dǎo)致最終換熱效果不同，對(duì)螺旋立管，蓄熱過(guò)高，導(dǎo)致負(fù)面效應(yīng)遠(yuǎn)大于正面效應(yīng)，因此雖然單位管長(zhǎng)綜合傳熱系數(shù)為螺旋立

7、管最高為25.97W/(m.℃)，螺旋平鋪管較平鋪管略高，分別為25.81W/(m.℃)和25.58W/(m.℃);而最終的換熱量綜合下來(lái)螺旋立管反而最低，僅為為67.00W/m;螺旋平鋪管略有蓄熱正面效應(yīng)大于負(fù)面效應(yīng)，綜合換熱效果最佳，為73.02W/m;U型平鋪管綜合單位管長(zhǎng)換熱效果為69.62W/m。通過(guò)多個(gè)工況實(shí)測(cè)驗(yàn)證，與理論計(jì)算偏差較為接近，推薦模型采用0.9作為理論計(jì)算參數(shù)的修正系數(shù)，為閉式盤(pán)管換熱器的應(yīng)用研究提供了理論依據(jù)

8、和參考數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)工程應(yīng)用。
　　 4)通過(guò)耦合室內(nèi)負(fù)荷和室外氣象參數(shù)，對(duì)5m、10m和20m的負(fù)荷下水體溫度進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)水溫變化規(guī)律和承載負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行了研究分析。得出10m以內(nèi)的淺型水體容易產(chǎn)生蓄熱大于蓄冷的不平衡，造成水體平均溫度的偏高，對(duì)夏季供冷為主的系統(tǒng)不利，對(duì)冬季制熱為主的系統(tǒng)相對(duì)有利;而對(duì)約10m以下的深型水體，蓄冷能力較強(qiáng)，長(zhǎng)期運(yùn)行造成水體溫度逐年降低，對(duì)夏季制冷為主的系統(tǒng)較為有利，但反之對(duì)冬季制熱為主的系統(tǒng)則不

9、利。
　　 5)針對(duì)不同深度水體，經(jīng)過(guò)試算得到環(huán)境指標(biāo)限制下的最大水體承載負(fù)荷，分別為120W/m2（5m水體）、140W/m2（10m水體）和190W/m2(20m水體)。提出綜合環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和供能性能要求的最小水體負(fù)荷為水體的承載負(fù)荷指標(biāo):對(duì)于10m以上較深水體，環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限值下的負(fù)荷水溫也能達(dá)到供能要求，為水體最大承載負(fù)荷指標(biāo);而對(duì)5m淺水體，在環(huán)境指標(biāo)下的負(fù)荷水體溫度為28.45℃，不能滿足供能性能要求，因此按照供能要求最大承