CN113204817A - 基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法及系统，通过数值分析模型，计算运行一个周期后热交换管的出口温度，根据出口温度与热泵能耗比的关系计算出热泵的能耗比，使用满足精度要求的热泵能耗比与热交换管长度的快速计算经验公式，用以评估隧道衬砌地温能热交换系统设计的合理性，同时提升了设计效率，便于后期施工期间对换热器设计的变更，具有显著的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于能源隧道技术领域，尤其涉及一种提取新奥法隧道围岩内地温能的能源隧道衬砌地温能热交换系统的设计方法。
背景技术
在地球浅表层数百米内的恒温层内土壤温度基本稳定，比年平均气温低1-2℃，储存着巨大的地温能，是个天然的蓄热或者蓄冷池。山岭隧道是一种常见的地下结构，能源隧道衬砌地温能热交换系统可以利用现有的隧道衬砌与围岩进行热交换，夏天将地上建筑内的热量注入隧道周围的围岩中，冬天将围岩的热量提取到地上的建筑中，经热泵提升后可以调节建筑室内的温度。这种利用地温能对建筑制冷/制热的技术比传统的空调系统节能30％以上。但是目前国内外此技术的学术性研究较多，应用较少，缺少一种能够在施工前确定热交换管的布置方式、间距和管长的能源隧道衬砌地温能热交换系统的设计方法。
发明内容
发明目的：鉴于目前国内外尚无一套可用的山岭能源隧道衬砌地温能热交换系统的设计方法，本发明提出了一种基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统的设计方法，
技术方案:本发明基于热泵能耗比设计能源隧道衬砌地温能热交换系统热交换管，主要包括三部分：
设计热交换管的布置方式，沿着隧道轴向方向布置；
设计热交换管的布置间距，对于三车道以上大断面隧道取0.6m～0.7m，对小于三车道的小断面隧道取0.5m～0.6m；
设计热交换管的长度，将当前设计的管长代入热交换管出口温度与热泵能耗比的经验公式求得其对应的热泵能耗比，当管长对应的能耗比大于4时，满足设计要求。
为了提高设计效率，本发明提出了一个管长与热泵能耗比的经验公式，此公式含有两个未知参数A和B，可以通过试算两组不同长度的换热器模型进行反演，确定参数A和B后，与热泵生产商提供的热交换管出口温度与热泵能耗比的公式联立即可得出，热交换管长度与热泵能耗比的经验公式(1)。通过此经验公式可以快速计算出换热器热交换管任意长度下对应的热泵能耗比,用来评估热交换器设计的合理性。
热交换管出口温度与热泵能耗比(EER)的经验公式如下：
式中：Tout为热交换管的出口温度，L为热交换管长度，Tini为初始地温，EER为热泵能耗比。
发明原理：本发明通过数值分析模型，计算运行一个周期后热交换管的出口温度，根据出口温度与热泵能耗比的关系计算出热泵的能耗比，并用以评估隧道衬砌地温能热交换系统设计的合理性。本方法可有效解决当前衬砌地温能热交换系统缺乏设计方法的问题，有利于设计人员根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736-2012)的指标进行设计。
有效效果：本发明填补了国内对于能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法空白，并提出了一个热泵能耗比与热交换管长度的经验公式，此公式可以通过试算两组不同长度的换热器模型获得，根据此经验公式可以快速获取换热器热交换管任意管长对应的热泵能耗比且与建模计算相比误差低于5％，满足精度要求，提升了设计效率，便于后期施工期间对换热器设计的变更，是能源隧道上的创新，有显著的经济和社会效益。
附图说明
图1为设计方法的流程图；
图2为热交换管展开示意图；
图3为热交换管布置3D图；
图4为图3的断面图；
图中：1热交换管入口；2热交换管出口；3热交换管；4隧道二衬；5隧道洞内空气；6隧道初衬；7隧道围岩。
具体实施方式
本发明解决的技术方案具体步骤如下：
(1)地质热物性勘察；
地质热物性勘察包括：围岩导热系数、围岩比热容和围岩的密度。可以通过现场热响应试验进行测定，具体见《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366-2005)。
(2)地温勘察；
地温勘察可以通过在隧道周围围岩处放置温度传感器进行采集，也可以通过下式进行估算：
式中：TM为地表全年平均温度，as为围岩热扩散系数，As为地表全年温度振幅，ω为温度年周期性波动频率，ω＝0.000717 1/h。
(3)气象数据；
气温数据可以通过现场气温监测采集，也可以通过当地气象部门进行查阅。
(4)设计能源隧道衬砌地温能热交换系统的冷热负荷；
根据用户端暖通设计图纸获取建筑冷热负荷，设计能源隧道衬砌地温能热交换系统每组热交换管所承担的冷热负荷，每组热交换管的进出口温差根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736-2012)不宜小于4℃，从而计算热交换管所需的组数。
(5)隧道、隧道衬砌地温能热交换系统热交换管和围岩的三维建模；
根据隧道设计图纸尺寸，建立隧道、隧道衬砌地温能热交换系统热交换管和围岩数值分析模型，建模尺寸误差不应大于5％。围岩传热采用固体传热模块进行计算，截面尺寸应满足隧道衬砌地温能热交换系统整个运行期间边界温度无变化，防止产生边界效应并设置为热绝缘边界。轴向尺寸建议取11m，边界设置为热绝缘边界；隧道建模包括洞内空气、二衬和初衬，洞内空气采用流体传热模块与湍流模块中的RANS模型进行耦合计算，二衬和初衬采用固体传热模块进行计算。热交换管出口温度采用非等温管道流模块进行计算，热交换管入口和出口初始温度为初始地温，入口温度计算如下式：
式中：Tin为热交换管入口温度，Tout为热交换管的出口温度，Qt为隧道衬砌地温能热交换系统每组热交换管承担的冷热负荷(由步骤4获取)，ρL为热交换管内液体密度，Cp,L为热交换管内液体比热容，uL为热交换管内液体流速，A为热交换管截面面积。
(6)设计能源隧道衬砌地温能热交换系统热交换管的布置方式；
能源隧道衬砌地温能热交换系统热交换管布置方式建议采用沿着隧道轴向的布置方式，隧道每11m布置一组热交换管，每组热交换管沿着隧道轴向间隔为1m如图2和图3。
(7)设计能源隧道衬砌地温能热交换系统热交换管的间距；
能源隧道衬砌地温能热交换系统热交换管的布置间距设计，对于大断面隧道(三车道以上包含三车道)建议取0.6m～0.7m，对于小断面隧道(三车道以下不包括三车道)建议取0.5m～0.6m；
(8)确定热交换管出口温度与热泵能耗比的经验公式；
热交换管出口温度与热泵能耗比(EER)的经验公式如下：
式中：Tout为热交换管的出口温度，L为热交换管长度，Tini为初始地温，EER为热泵能耗比(EER为热交换管出口温度的函数，可以根据当前热泵的型号，拟合热交换管出口温度与热泵能耗比获取)。
建立两个不同热交换管长度的三维隧道衬砌地温能热交换系统模型，计算一个运行周期后的出口温度。获取两组管长和对应的出口温度数据，代入式(3)，求得参数A和B，根据不同型号热泵的热交换管出口温度和能耗比的拟合关系，确定经验公式(3)。
(9)设计能源隧道衬砌地温能热交换系统热交换管的长度。
设计能源隧道衬砌地温能热交换系统热交换管的长度，利用经验公式(3)求解当前长度下热泵的能耗比(EER)，当EER大于4的时候，即换热器热交换管管长满足设计要求，否则重新设计能源隧道衬砌地温能热交换系统热交换管的长度。
本发明通过数值分析模型，计算运行一个周期后热交换管的出口温度，根据出口温度与热泵能耗比的关系计算出热泵的能耗比，使用满足精度要求的热泵能耗比与热交换管长度的快速计算经验公式，用以评估隧道衬砌地温能热交换系统设计的合理性，同时提升了设计效率，便于后期施工期间对换热器设计的变更，具有显著的经济和社会效益。
Claims (8)
1.一种基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于包括：
设计热交换管的布置方式，沿着隧道轴向方向布置；
设计热交换管的布置间距，对于三车道以上大断面隧道取0.6m～0.7m，对小于三车道的小断面隧道取0.5m～0.6m；
设计热交换管的长度，将当前设计的管长代入热交换管出口温度与热泵能耗比的经验公式求得其对应的热泵能耗比，当管长对应的能耗比大于4时，满足设计要求。
2.根据权利要求1所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述热交换管的布置方式，是在隧道每11m布置一组热交换管，每组热交换管沿着隧道轴向间隔为1m。
3.根据权利要求1所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述热交换管出口温度与热泵能耗比的经验公式：
式中：Tout为热交换管的出口温度，L为热交换管长度，Tini为初始地温，EER为热泵能耗比，两个未知参数A和B通过试算两组不同长度的换热器模型进行反演。
4.根据权利要求1所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，还包括以下步骤
步骤(1)，勘察地质热物性，通过现场热响应试验测定围岩导热系数、围岩比热容和围岩的密度；
步骤(2)，勘察地温；
步骤(3)，采集气象数据；
步骤(4)，设计能源隧道衬砌地温能热交换系统的冷热负荷；
步骤(5)，隧道、隧道衬砌地温能热交换系统热交换管和围岩的三维建模。
5.根据权利要求4所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述步骤(2)地温勘察通过在隧道周围围岩处放置温度传感器进行采集或通过下式进行计算：
式中：TM为地表全年平均温度，as为围岩热扩散系数，As为地表全年温度振幅，ω为温度年周期性波动频率，ω＝0.000717 1/h。
6.根据权利要求4所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中气温数据通过现场气温监测采集，或通过当地气象部门进行查阅。
7.根据权利要求4所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中根据用户端暖通设计图纸获取建筑冷热负荷，设计能源隧道衬砌地温能热交换系统每组热交换管所承担的冷热负荷。
8.根据权利要求4所述的基于热泵能耗比的能源隧道衬砌地温能热交换系统设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中根据隧道设计图纸尺寸，建立隧道、隧道衬砌地温能热交换系统热交换管和围岩传热数值分析模型，围岩传热采用固体传热模块进行计算，截面尺寸应满足隧道衬砌地温能热交换系统整个运行期间边界温度无变化，边界设置为热绝缘边界；隧道建模包括洞内空气、二衬和初衬，洞内空气采用流体传热模块与湍流模块中的RANS模型进行耦合计算，二衬和初衬采用固体传热模块进行计算；热交换管出口温度采用非等温管道流模块进行计算，热交换管入口和出口初始温度为初始地温，入口温度计算如下式：
式中：Tin为热交换管入口温度，Tout为热交换管的出口温度，Qt为隧道衬砌地温能热交换系统每组热交换管承担的冷热负荷(由步骤4获取)，ρL为热交换管内液体密度，Cp,L为热交换管内液体比热容，uL为热交换管内液体流速，A为热交换管截面面积。
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