CN102445028B - 一种地源热泵地埋管换热器管群的布置方法 - Google Patents

Abstract

为了减少地源热泵地下土壤的热量累积效应，本发明提出一种非等间距的地埋管换热器管群的布置方法，以消除或削弱钻孔间的热影响，提高地埋管换热效率。《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366-2005)中规定钻孔间距宜为3.0-6.0m，但是并没有明确的指出在什么情况下采用3.0m，在什么情况下采用6.0m。本发明对处于管群中心热积聚效应较明显的埋管间距取6m，而对于处于管群边缘热积聚效应较弱的埋管间距取3m，令长宽方向上由外向内的钻井间距均按等比数列递增，利用等比数列的性质，通过数学计算得到了矩形区域内各钻井位置的确定方法，从而合理布置地埋管，消除或减弱管群中心埋管的热积聚效应，提高地源热泵空调系统的运行效率。

Description

一种地源热泵地埋管换热器管群的布置方法

技术领域

本发明涉及一种换热管群的布置方法，具体涉及一种地源热泵地埋管换热器管群的布置方法。

背景技术

我国的土壤源热泵工程运行的年限不多，尚未有较多实际项目暴露出土壤热平衡的严重后果。但是我国的一些比较大的地源热泵工程为了节省地面施工面积，往往采用高度密集的垂直埋管方式。在这种情况下，土壤热平衡问题更应该引起足够的重视。那些没有保证土壤热平衡方案的土壤源热泵系在持续运行数年后，将会出现效率下降和持续运行效果变差的巨大风险。

合理确定地埋管管群的钻孔间距十分重要，现有研究表明，增大钻孔间距能明显提高系统效率，缓解由于冷热负荷不平衡造成的热量积聚效应。但是，较大的钻孔间距需要占用更大的地表面积，这在实际工程中往往行不通。但是钻孔间距过小会加剧热量积聚效应，削弱了地埋管换热器的换热能力，为地源热泵系统长时间的高效、安全运行带来隐患。

目前地埋管布置方法及其缺陷与不足主要体现在：

一般地埋管换热器采用顺排或叉排布置，已有的研究表明，对于相同钻孔数量的管群，综合来看，无论是从节省地表建筑面积还是提高管群传热效率来考虑，叉排布置形式均优于顺排的布置形式。但是，无论对顺排布置还是叉排布置，处于管群中心区域的埋管受周围埋管的影响较大，热积聚效应比较明显，而处于管群边缘的埋管受周围埋管的影响较小，热积聚效应相对较弱，因此，从提高地埋管换热器换热能力及节省占地面积的角度来看，管群中各钻井的间距取同一值是不合理的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够减少地源热泵地下土壤的热量累积效应，消除或削弱钻孔间的热影响，提高地埋管换热效率的地源热泵地埋管换热器管群的布置方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)设埋管区域的长为a，宽为b，长宽方向的对称线为B₁、B₂，该对称线B₁、B₂将矩形区域分为四等分，则四个区域的埋管布置形式对称，取其中一个区域A为计算区域，令N_a、N_b分别为埋管区域沿长宽方向上的钻井排数；a₁、a₂...a_n-1为计算区域长度方向由外向内的各管的间距；b₁、b₂...b_m-1为计算区域宽度方向由外向内的各管的间距；使a₁、a₂...a_n-1及b₁、b₂...b_m-1分别按等比数列递增，即满足：a₂＝a₁×q_a，a₃＝a₂×q_a...；b₂＝b₁×q_b，b₃＝b₂×q_b...其中q_a、q_b分别为等比数列的公比；

2)对处于管群中心热积聚效应明显的埋管间距取6m，而处于管群边缘热积聚效应弱的埋管间距取3m，即取：

a₁＝3，a_n-1＝6，b₁＝3，b_m-1＝6

根据地源热泵系统负荷在该区域内其钻井数量N₀＝N_a×N_b    (1)

通过下式确定N_a、N_b的值：

$N_a=\frac{a}{4.5};$ $N_b=\frac{b}{4.5}---\left(2\right)$

调整N_a、N_b的值，使之满足式(1)；

3)由于沿长宽方向间距确定方法相同，以长度方向为例进行说明：

若N_a为奇数，此时在计算区域内有：

$n=\frac{N_a+1}{2}---\left(3\right)$

且a₁＝3，a_n-1＝6    (4)

由等比数列的性质可知：

a_n-1＝a₁×q_a ^n-2    (5)

由(4)、(5)可得：

$q_a=\sqrt[n-2]{2}=\sqrt[(\frac{N+1}{2}-2)]{2}$

由此可得各钻孔间距分别为：

a₁＝3；

a₂＝a₁×q_a；

a₃＝a₁×q_a ²；......

a_n-2＝a₁×q_a ^n-2；

a_n-1＝a₁×q_a ^n-2＝6；

若N_a为偶数，此时在该区域内有：

$n=\frac{N_a}{2}---\left(6\right)$

且a₁＝3，a_n＝6    (7)

由等比数列的性质可知：

a_n＝a₁×q_a ^n-1    (8)

由(7)、(8)可得：

$q_a=\sqrt[n-1]{2}=\sqrt[\frac{N}{2}]{2}$

由此可得各钻孔间距分别为：

a₁＝3；

a₂＝a₁×q_a；

a₃＝a₁×q_a ²；......

a_n-1＝a₁×q_a ^n-2；

a_n＝a₁×q_a ^n-1＝6；

由于计算中使用的第n+1个钻孔不在该区域内，故布置该区域时将其舍去，确定该区域长宽方向各钻孔间距后，以B1、B2为对称轴，由矩形中心向四边展开，分别布置其它三个区域，使中心区域埋管间距大于边缘区域。

本发明提出的地源热泵地埋管换热器管群的布置方法，可以减少地源热泵地下土壤的热量累积效应，消除或削弱钻孔间相互的热影响，提高地埋管换热效率。

附图说明

图1是本发明地源热泵地埋管换热器管群布置结构图；

图2是计算区域示意图，其中图2(a)N_a为奇数，图2(b)N_a为偶数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，由于工程中多数埋管区域为矩形，因此以矩形为例，说明确定各井间距的方法。设埋管区域的尺寸为a×b(长×宽)，长宽方向的对称线分别为B₁、B₂。将矩形区域分为四等分，则四个区域的埋管布置形式对称。取四分之一区域为计算区域，见图1中区域A所示。令N_a、N_b分别为埋管区域沿长宽方向上的钻井排数；a₁、a₂...a_n-1为计算区域长度方向由外向内的各管的间距；b₁、b₂...n_m-1为计算区域宽度方向由外向内的各管的间距，如图1所示。根据前文所述，合理的埋管布置形式应满足：a₁＜a₂＜...＜a_n-1且b₁＜b₂＜...＜b_m-1，为此，本发明提出a₁、a₂...a_n-1及b₁、b₂...b_m-1分别按等比数列递增，即满足：a₂＝a₁×q_a，a₃＝a₂×q_a...；b₂＝b₁×q_b，b₃＝b₂×q_b...其中q_a、q_b分别为等比数列的公比；

《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366-2005)中规定钻孔间距宜为3.0～6.0m，但是并没有明确的指出在什么情况下采用3.0m，在什么情况下采用6.0m。本发明为了解决管群热积聚问题，对处于管群中心热积聚效应较明显的埋管间距取6m，而对于处于管群边缘热积聚效应较弱的埋管间距取3m，即取：

a₁＝3，a_n-1＝6，b₁＝3，b_m-1＝6

根据地源热泵系统负荷在该区域内其钻井数量N₀＝N_a×N_b    (1)

通过下式确定N_a、N_b的值：

$N_a=\frac{a}{4.5};$ $N_b=\frac{b}{4.5}---\left(2\right)$

调整N_a、N_b的值，使之满足式(1)；

由于沿矩形长宽方向间距确定方法相同，因此以长度方向为例，对各值的确定方法进行说明。

参见图2(a)，若N_a为奇数，此时在该区域内有：

$n=\frac{N_a+1}{2}---\left(3\right)$

且a₁＝3，a_n-1＝6    (4)

由等比数列的性质可知：

a_n-1＝a₁×q_a ^n-2    (5)

由(4)、(5)可得：

$q_a=\sqrt[n-2]{2}=\sqrt[(\frac{N+1}{2}-2)]{2}$

由此可得各钻孔间距分别为：

a₁＝3；

a₂＝a₁×q_a；

a₃＝a₁×q_a ²；......

a_n-2＝a₁×q_a ^n-3；

a_n-1＝a₁×q_a ^n-2＝6；

参见图2(b)，若N_a为偶数，此时在该区域内有：

$n=\frac{N_a}{2}---\left(6\right)$

且a₁＝3，a_n＝6    (7)

由等比数列的性质可知：

a_n＝a₁×q_a ^n-1    (8)

由(7)、(8)可得：

$q_a=\sqrt[n-1]{2}=\sqrt[\frac{N}{2}]{2}$

由此可得各钻孔间距分别为：

a₁＝3；

a₂＝a₁×q_a；

a₃＝a₁×q_a ²；......

a_n-1＝a₁×q_a ^n-2；

a_n＝a₁×q_a ^n-1＝6；

由于计算中使用的第n+1个钻孔不在计算区域内，故布置该区域时将其舍去，不予考虑。

确定计算区域长宽方向各钻孔间距后，以B1、B2为对称轴，由矩形中心向四边展开，分别布置其它三个计算区域，使中心区域埋管间距大于边缘区域。

Claims (1)

1.一种地源热泵地埋管换热器管群的布置方法，其特征在于：

1）设埋管区域的长为a，宽为b，长宽方向的对称线为B₁、B₂，该对称线B₁、B₂将矩形区域分为四等分，则四个区域的埋管布置形式对称，取其中一个区域A为计算区域，令N_a、N_b分别为埋管区域沿长宽方向上的钻井排数；a₁、a₂…a_n-1为计算区域长度方向由外向内的各管的间距；b₁、b₂…b_m-1为计算区域宽度方向由外向内的各管的间距，a₁、a₂…a_n-1及b₁、b₂…b_m-1分别按等比数列递增，即满足：a₂=a₁×q_a，a₃=a₂×q_a…；b₂=b₁×q_b，b₃=b₂×q_b…其中q_a、q_b分别为等比数列的公比；

2）对处于管群中心热积聚效应明显的埋管间距取6m，而处于管群边缘热积聚效应弱的埋管间距取3m，即取：

a₁=3，a_n-1=6，b₁=3，b_m-1=6

根据地源热泵系统负荷，在该区域内钻井数量N₀=N_a×N_b  （1）

通过下式确定N_a、N_b的值：

$N_a=\frac{a}{4.5};N_b=\frac{b}{4.5}---\left(2\right)$

调整N_a、N_b的值，使之满足式（1）；

3）由于沿长宽方向间距确定方法相同，以长度方向为例进行说明：

若N_a为奇数，此时在计算区域内有：

$n=\frac{N_a+1}{2}---\left(3\right)$

且a₁=3,a_n-1=6    （4）

由等比数列的性质可知：

a_n-1=a₁×q_a ^n-2    （5）

由（3）-（5）可得：

$q_a=\sqrt[n-2]{2}=\sqrt[(\frac{N_a+1}{2}-2)]{2}$

由此可得各钻孔间距分别为：

a₁=3；

a₂=a₁×q_a；

a₃=a₁×q_a ²；……

a_n-2=a₁×q_a ^n-3；

a_n-1=a₁×q_a ^n-2=6；

若N_a为偶数，此时在该区域内有：

$n=\frac{N_a}{2}---\left(6\right)$

且a₁=3,a_n=6        （7）

由等比数列的性质可知：

a_n=a₁×q_a ^n-1          （8）

由（6）-（8）可得：

$q_a=\sqrt[n-1]{2}=\sqrt[(\frac{N_a}{2}-1)]{2}$

由此可得各钻孔间距分别为：

a₁=3；

a₂=a₁×q_a；

a₃=a₁×q_a ²；……

a_n-1=a₁×q_a ^n-2；

a_n=a₁×q_a ^n-1=6；

由于计算中使用的第n+1个钻孔不在该区域内，故布置该区域时将其舍去，确定该区域长宽方向各钻孔间距后，以B1、B2为对称轴，由矩形中心向四边展开，分别布置其它三个区域，使中心区域埋管间距大于边缘区域。

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