CN104318124B - 一种地源热泵地下换热器换热能力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地源热泵地下换热器换热能力计算方法，包括释热量计算过程和取热量计算过程；所述释热量计算过程包括计算单孔释热量Q₁、计算释热量修正系数K₁、计算单孔有效释热量Q₂、计算单位有效释热量Q_S等四个步骤；所述取热量计算过程包括计算取热量修正系数、计算单孔有效取热量Q₃、计算单位有效取热量Q_Q等三个步骤。本发明的一种地源热泵地下换热器换热能力计算方法，适用于以岩土为热能蓄变体，以水作为热交换介质，换热介质通过地下换热器与岩土进行热交换，夏季向岩土中释热，冬季从岩土中取热。本发明既能计算新型高效换热器的换热能力，也能计算传统U型管换热器换热能力、具有计算更简便、计算结果更能满足工程设计需要等优点。

Description

一种地源热泵地下换热器换热能力计算方法

技术领域

本发明涉及可再生能源开发利用领域，具体是一种地源热泵地下换热器换热能力计算方法。

背景技术

地源热泵空调系统是建筑节能最有效的技术方式，其节能效果得到国内外专家的一致认可，同常规空调相比，地源热泵空调节能约50％。现行地源热泵空调系统在小型建筑中使用十分理想，但由于地下换热器换热效率低、占地面积大，造成大中型建筑没有足够的空间布置换热器，冬季供暖需求较大地区，大量建筑物不具备使用地源热泵的条件，旧楼改造更难以实施。合肥天地源节能技术开发有限公司等单位，经过多年的努力，研发出一种新的地源热泵地埋管换热技术，新技术将地下换热器换热能力提高3～5倍，将建筑物所需换热器数量和占地面积大幅度减少，使得建筑物适宜使用地埋管地源热泵的范围大幅度提高，并避免了交叉施工，缩短了施工周期。

现行地源热泵地下换热器换热能力计算方法依据是，《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366—2005，2009版)附录C，该方法是根据U型管换热器的材料和结构设计的，鉴于本公司发明的高效换热器(申请号：CN201310274993.7)，从结构和材料与U型管换热器根本不同，上述方法已无法计算。

发明内容

本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种地源热泵地下换热器换热能力计算方法，以解决传统换热器换热能力计算方法无法计算的新型的高效换热器的问题。

本发明为解决技术问题采用以下技术方案。

一种地源热泵地下换热器换热能力计算方法，其特点是，包括释热量计算过程和取热量计算过程；

(1)所述释热量计算过程包括如下步骤：

步骤1：计算单孔释热量Q₁；

Q₁＝ΔT·G·C·A (1)

式(1)中，Q₁为地埋管换热器单孔释热量，单位为：kW/(h·孔)；△T为地埋管出口温度T+5℃～33℃之间的换热器井进出口平均温差，单位为：℃；T为岩土初始平均温度，单位为：℃；G为地埋管循环水流量，单位为：m³/h；C为水的比热容，单位为：kJ/(m³·℃)；A为常量，为1/3600，1kJ＝1/3600kW；

(△T是同一时刻的进水温度与出水温度之差，是实测的。T是岩土初始平均温度，加5℃后是计算地埋管进出水温度的起始温度，之前的温度差不稳定，不能使用；33℃是计算地埋管进出水温度的最高温度，之后的温度差也不能使用。测试过程中，地埋管出口温度在超过规范规定最高温度33℃后继续上升，因此对释热量必须进行适当修正。)

步骤2：计算释热量修正系数K₁；

K₁＝(100-Δt×10)％ (2)

式(2)中，K₁为释热量修正系数；△t为地埋管出口温度达33℃到试验结束时，平均升温率，单位为：℃/h；(只看出口温度，不需考虑测试时间；△t是地埋管出口温度达33℃到试验结束时的平均升温率，一次测试需持续加热48小时以上，并连续记录进出水温度。一般加热20小时左右，出水温度就可达到33℃，之后的28小时温度会继续升高，可达45℃左右，但在实际使用时，出水温度超过33℃节能效果就不理想，所以我们取33℃以下作为计算主要依据，33℃～45℃的升温速度一定程度上反映了测试井的换热能力，据此计算出修正系数。△T是同一时刻的进水温度与出水温度之差，是实测的。)

步骤3：计算单孔有效释热量Q₂；

Q₂＝Q₁·K₁ (3)

式(3)中，Q₂为地埋管换热器单孔有效释热量，单位为：kW/(h·孔)；Q₁为步骤1中计算的地埋管换热器单孔释热量，单位为：kW/(h·孔)；K₁为步骤2中计算的释热量修正系数；

步骤4：计算单位有效释热量Q_S；

Q_S＝Q₂/L (4)

式(4)中，Q_S为地埋管换热器单位有效释热量，单位为：kW/(h·m)；Q₂为步骤3中计算的地埋管换热器单孔有效释热量，单位为：kW/(h·孔)；L为测试井的有效井深，单位为：m；

(2)所述取热量计算过程包括如下步骤：

步骤a：计算取热量修正系数；

K₂＝(T-9)·R·V×100％/[(33-T)·R·V] (5)

式(5)中，K₂为取热量修正系数；T为岩土初始平均温度，单位为：℃；R为岩土比热容，单位为：kJ/(m³·℃)；V为参与换热岩土体积，单位为：m³；(式(5)中，固体换热量的完整公式是：换热量＝发热体与环境介质的温差×比热容×体积。)

步骤b：计算单孔有效取热量Q₃；

Q₃＝Q₂·K₂ (6)

式(6)中，Q₃为地埋管换热器单孔有效取热量，单位为：kW/(h·孔)；Q₂为所述释热量计算过程的步骤3中计算的地埋管换热器单孔有效释热量，单位为：kW/(h·孔)；K2为步骤a中计算的取热量修正系数；

步骤c：计算单位有效取热量Q_Q；

Q_Q＝Q₃/L (7)

式(7)中，Q_Q为地埋管换热器单位有效取热量，单位为：kW/(h·m)；Q₃为步骤b中计算的地埋管换热器单孔有效取热量，单位为：kW/(h·孔)；L为测试井的有效井深，单位为：m。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明的一种地源热泵地下换热器换热能力计算方法，同现有技术相比，本发明直接根据实测数据按热学基本计算公式推导出换热结果，消除了原有换热能力计算中参数选择造成的系统误差，保证了数据的准确，可较好满足了工程设计需要；既能满足高效换热器换热能力计算，也能计算传统U型管换热器换热能力，计算更简便，计算结果更能满足工程设计需要。

本发明的一种地源热泵地下换热器换热能力计算方法，具有能计算新型高效换热器的换热能力、也能计算传统U型管换热器换热能力、计算更简便，计算结果更能满足工程设计需要等优点。

以下通过具体实施方式，并结合案例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的一种地源热泵地下换热器换热能力计算方法，包括释热量计算过程和取热量计算过程；

(1)所述释热量计算过程包括如下步骤：

步骤1：计算单孔释热量Q₁；

Q₁＝ΔT·G·C·A (1)

式(1)中，Q₁为地埋管换热器单孔释热量，单位为：kW/(h·孔)；△T为地埋管出口温度T+5℃～33℃之间的换热器井进出口平均温差，单位为：℃；T为岩土初始平均温度，单位为：℃；G为地埋管循环水流量，单位为：m³/h；C为水的比热容，单位为：kJ/(m³·℃)；A为常量，为1/3600，1kJ＝1/3600kW；(△T是同一时刻的进水温度与出水温度之差，是实测的。T是岩土初始平均温度，加5℃后是计算地埋管进出水温度的起始温度，之前的温度差不稳定，不能使用；33℃是计算地埋管进出水温度的最高温度，之后的温度差也不能使用。测试过程中，地埋管出口温度在超过规范规定最高温度33℃后继续上升，因此对释热量必须进行适当修正。)

步骤2：计算释热量修正系数K₁；

K₁＝(100-Δt×10)％ (2)

式(2)中，K₁为释热量修正系数；△t为地埋管出口温度达33℃到试验结束时，平均升温率，单位为：℃/h；(只看出口温度，不需考虑测试时间；△t是地埋管出口温度达33℃到试验结束时的平均升温率，一次测试需持续加热48小时以上，并连续记录进出水温度。一般加热20小时左右，出水温度就可达到33℃，之后的28小时温度会继续升高，可达45℃左右，但在实际使用时，出水温度超过33℃节能效果就不理想，所以我们取33℃以下作为计算主要依据，33℃～45℃的升温速度一定程度上反映了测试井的换热能力，据此计算出修正系数。△T是同一时刻的进水温度与出水温度之差，是实测的。)

步骤3：计算单孔有效释热量Q₂；

Q₂＝Q₁·K₁ (3)

式(3)中，Q₂为地埋管换热器单孔有效释热量，单位为：kW/(h·孔)；Q₁为步骤1中计算的地埋管换热器单孔释热量，单位为：kW/(h·孔)；K₁为步骤2中计算的释热量修正系数；

步骤4：计算单位有效释热量Q_S；

Q_S＝Q₂/L (4)

式(4)中，Q_S为地埋管换热器单位有效释热量，单位为：kW/(h·m)；Q₂为步骤3中计算的地埋管换热器单孔有效释热量，单位为：kW/(h·孔)；L为测试井的有效井深，单位为：m；

(2)所述取热量计算过程包括如下步骤：

步骤a：计算取热量修正系数；

K₂＝(T-9)·R·V×100％/[(33-T)·R·V] (5)

式(5)中，K₂为取热量修正系数；T为岩土初始平均温度，单位为：℃；R为岩土比热容，单位为：kJ/(m³·℃)；V为参与换热岩土体积，单位为：m³；(式(5)中，固体换热量的完整公式是：换热量＝发热体与环境介质的温差×比热容×体积。)

步骤b：计算单孔有效取热量Q₃；

Q₃＝Q₂·K₂ (6)

式(6)中，Q₃为地埋管换热器单孔有效取热量，单位为：kW/(h·孔)；Q₂为所述释热量计算过程的步骤3中计算的地埋管换热器单孔有效释热量，单位为：kW/(h·孔)；K2为步骤a中计算的取热量修正系数；

步骤c：计算单位有效取热量Q_Q；

Q_Q＝Q₃/L (7)

式(7)中，Q_Q为地埋管换热器单位有效取热量，单位为：kW/(h·m)；Q₃为步骤b中计算的地埋管换热器单孔有效取热量，单位为：kW/(h·孔)；L为测试井的有效井深，单位为：m。

取热量应在释热量基础上进行修正，根据《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005，2009版规定，夏季地埋管出口最高温度宜低于33℃，冬季地埋管出口最低温度宜高于9℃(规范4.3.5A规定，不加防冻剂的地埋管换热器进口最低温度宜高于4℃)。

同现有技术相比，本发明直接根据实测数据按热学基本计算公式推导出换热结果，消除了原有换热能力计算中参数选择造成的系统误差，保证了数据的准确，可较好满足了工程设计需要。既能满足高效换热器换热能力计算，也能满足传统U型管换热器换热能力计算，计算更简便，计算结果更能满足工程设计需要。

以下通过两个具体实施例来说明本发明的地源热泵地下换热器换热能力计算方法。

实施例一：地矿家园测试井(传统U型管换热器)

钻孔直径127mm，钻孔深度100m，PE管有效长度为100m，单U，管径32mm。20米以下岩土原始温度平均值为18.8℃。流量1.0m³/h，地埋管标准工况T+5℃～33℃范围内，温差4.47℃，平均加热功率6kW，连续加热时间50小时。具体参数如下：

T＝18.8℃ G＝1m³/h △T＝4.47℃ L＝100m △t＝0.062℃/h

C＝4185kJ/(m³.℃)

1.释热量计算方法

(1)单孔释热量：

Q₁＝ΔT·G·C·A＝4.47×1×4185×1/3600＝5.20kW/(h·孔)

该式中 Q₁---地埋管换热器单孔释热量(kW/(h·孔))

△T---地埋管出口温度T+5℃～33℃之间平均温差(℃)

T---岩土初始平均温度(℃)

G---地埋管循环水流量(m³/h)

测试过程中，地埋管出口温度在超过规范规定最高温度33℃后继续上升，因此对释热量必须进行适当修正。

(2)释热量修正系数：

K₁＝(100-Δt×10)％

＝(100-0.062×10)％＝99.38％

该式中 K₁---释热量修正系数

△t---地埋管出口温度达33℃到试验结束时，平均升温率(℃/h)

(3)单孔有效释热量：

Q₂＝Q₁·K₁＝5.20×99.38％＝5.17kW/(h·孔)

该式中 Q₂---地埋管换热器单孔有效释热量(kW/(h·孔))

Q₁---地埋管换热器单孔释热量(kW/(h·孔))

K₁---释热量修正系数

(4)单位有效释热量：

Q_S＝Q₂/L＝5.17/100＝0.0517kW/(h·m)

该式中 Q_S---地埋管换热器单位有效释热量(kW/(h·m))

Q₂---地埋管换热器单孔有效释热量(kW/(h·孔))

L---有效井深(m)；

2.取热量计算方法

取热量应在释热量基础上进行修正，根据《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005，2009版规定，夏季地埋管出口最高温度宜低于33℃，冬季地埋管出口最低温度宜高于9℃(规范4.3.5A规定,不加防冻剂的地埋管换热器进口最低温度宜高于4℃)。计算公式为：

(1)取热量修正系数：

K₂＝(T-9)·R·V/(33-T)·R·V×100％

＝(18.8-9)·R·V/(33-18.8)·R·V×100％

＝69.01％

该式中 K₂---取热量修正系数

T---岩土初始平均温度(℃)

R---岩土比热容(kJ/(m³·℃))

V---参与换热岩土体积(m³)

(2)单孔有效取热量：

Q₃＝Q₂·K₂＝5.17×69.01％＝3.57kW/(h·孔)

该式中 Q₃---地埋管换热器单孔有效取热量(kW/(h·孔))

Q₂---地埋管换热器单孔有效释热量(kW/(h·孔))

K₂---取热量修正系数

(3)单位有效取热量：

Q_Q＝Q₃/L＝3.57/100＝0.0357kW/(h·m)

该式中 Q_Q---地埋管换热器单位有效取热量(kW/(h·m))

Q3---地埋管换热器单孔有效取热量(kW/(h·孔))

L---有效井深(m)。

实施例二：安徽省科技馆测试井(高效换热器)

钻孔直径140mm，钻孔深度252m，支护钢管和循环导流PE管有效长度均为252m。20米以下岩土原始温度平均值为21.23℃，流量5.0m³/h，地埋管标准工况T+5～33℃范围内，温差4.51℃，平均加热功率33.4kW，连续加热时间48小时。具体参数如下：

T＝21.23℃ G＝5m³/h △T＝4.51℃ L＝252m △t＝0.283℃/h

C＝4185kJ/(m³·℃)

1.释热量计算方法

(1)单孔释热量：

Q₁＝ΔT·G·C·A＝4.51×5×4185×1/3600＝26.23kW/(h·孔)

该式中 Q₁---地埋管换热器单孔释热量(kW/(h·孔))

△T---地埋管出口温度T+5℃～33℃之间平均温差(℃)

T---岩土初始平均温度(℃)

G---地埋管循环水流量(m³/h)

测试过程中，地埋管出口温度在超过规范规定最高温度33℃后继续上升，因此对释热量必须进行适当修正。

(2)释热量修正系数：

K₁＝(100-Δt×10)％

＝(100-0.283×10)％＝97.17％

该式中 K₁---释热量修正系数

△t---地埋管出口温度达33℃到试验结束时，平均升温率(℃/h)

(3)单孔有效释热量：

Q₂＝Q₁·K₁＝26.23×97.17％＝25.49kW/(h·孔)

该式中 Q₂---地埋管换热器单孔有效释热量(kW/(h·孔))

Q₁---地埋管换热器单孔释热量(kW/(h·孔))

K₁---释热量修正系数

(4)单位有效释热量：

Q_S＝Q₂/L＝25.49/252＝0.10114kW/(h·m)

该式中 Q_S---地埋管换热器单位有效释热量(kW/(h·m))

Q₂---地埋管换热器单孔有效释热量(kW/(h·孔))

L---有效井深(m)；

2.取热量计算方法

取热量应在释热量基础上进行修正，根据《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005，2009版规定，夏季地埋管出口最高温度宜低于33℃，冬季地埋管出口最低温度宜高于9℃(规范4.3.5A规定,不加防冻剂的地埋管换热器进口最低温度宜高于4℃)。计算公式为：

(1)取热量修正系数：

K₂＝(T-9)·R·V/(33-T)·R·V×100％

＝(21.23-9)·R·V/(33-21.23)·R·V×100％

＝103.9％

该式中 K₂---取热量修正系数

T---岩土初始平均温度(℃)

R---岩土比热容(kJ/(m³·℃))

V---参与换热岩土体积(m³)

(2)单孔有效取热量：

Q₃＝Q₂·K₂＝25.49×103.9％＝26.48kW/(h·孔)

该式中 Q₃---地埋管换热器单孔有效取热量(kW/(h·孔))

Q₂---地埋管换热器单孔有效释热量(kW/(h·孔))

K₂---取热量修正系数

(3)单位有效取热量：

Q_Q＝Q₃/L＝26.48/252＝0.10510kW/(h·m)

该式中 Q_Q---地埋管换热器单位有效取热量(kW/(h·m))

Q3---地埋管换热器单孔有效取热量(kW/(h·孔))

L---有效井深(m)。

Claims (1)

1.一种地源热泵地下换热器换热能力计算方法，其特征是，包括释热量计算过程和取热量计算过程；

(1)所述释热量计算过程包括如下步骤：

步骤1：计算单孔释热量Q₁；

Q₁＝ΔT·G·C·A (1)

式(1)中，Q₁为地埋管换热器单孔释热量，单位为：kW/(h·孔)；△T为地埋管出口温度T+5℃～33℃之间的换热器井进出口平均温差，单位为：℃；

T为岩土初始平均温度，单位为：℃；G为地埋管循环水流量，单位为：m³/h；

C为水的比热容，单位为：kJ/(m³·℃)；A为常量，为1/3600，1kJ＝1/3600kW；

步骤2：计算释热量修正系数K₁；

K₁＝(100-Δt×10)％ (2)

式(2)中，K₁为释热量修正系数；△t为地埋管出口温度达33℃到试验结束时，平均升温率，单位为：℃/h；

步骤3：计算单孔有效释热量Q₂；

Q₂＝Q₁·K₁ (3)

式(3)中，Q₂为地埋管换热器单孔有效释热量，单位为：kW/(h·孔)；Q₁为步骤1中计算的地埋管换热器单孔释热量，单位为：kW/(h·孔)；K₁为步骤2中计算的释热量修正系数；

步骤4：计算单位有效释热量Q_S；

Q_S＝Q₂/L (4)

式(4)中，Q_S为地埋管换热器单位有效释热量，单位为：kW/(h·m)；Q₂为步骤3中计算的地埋管换热器单孔有效释热量，单位为：kW/(h·孔)；L为测试井的有效井深，单位为：m；

(2)所述取热量计算过程包括如下步骤：

步骤a：计算取热量修正系数；

K₂＝(T-9)·R·V×100％/[(33-T)·R·V] (5)

式(5)中，K₂为取热量修正系数；T为岩土初始平均温度，单位为：℃；

R为岩土比热容，单位为：kJ/(m³·℃)；V为参与换热岩土体积，单位为：m³；

步骤b：计算单孔有效取热量Q₃；

Q₃＝Q₂·K₂ (6)

式(6)中，Q₃为地埋管换热器单孔有效取热量，单位为：kW/(h·孔)；Q₂为所述释热量计算过程的步骤3中计算的地埋管换热器单孔有效释热量，单位为：kW/(h·孔)；K2为步骤a中计算的取热量修正系数；

步骤c：计算单位有效取热量Q_Q；

Q_Q＝Q₃/L (7)

式(7)中，Q_Q为地埋管换热器单位有效取热量，单位为：kW/(h·m)；Q₃为步骤b中计算的地埋管换热器单孔有效取热量，单位为：kW/(h·孔)；L为测试井的有效井深，单位为：m。