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，是一項節(jié)能環(huán)保的可再生能源技術，可節(jié)約空調采暖能耗，建造節(jié)能建筑，尤其是我國江河湖海資源豐富，具有廣闊的市場和迫切需求，但在推廣應用過程中存在缺乏地表水體溫度基礎數據和盤管換熱器性能參數等關鍵設計參數，對環(huán)境的承載能力評估無依據等問題。針對地表水源熱泵尤其是滯流型閉式系統(tǒng)目前的現狀，由于機房及室內系統(tǒng)研究應用較為成熟，本文重點對系統(tǒng)中水體溫度、盤管換熱性能和水體承載負荷三方面進行了理論計算、實驗研究和應用

2、分析:在建立水體模型得到水體溫度數據基礎上，通過水體中的盤管換熱性能研究得到設計參考數據，同時評估換熱負荷下水體的熱承載能力。本文主要研究工作及結論如下:
　　 1)通過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態(tài)耦合模型，并對CFD軟件進行二次開發(fā)，輸入了全年動態(tài)氣象和邊界參數——考慮了大氣溫度、太陽能輻射、蒸發(fā)換熱、巖土壁面和底部溫度等因素影響。通過大量的數值模擬計算，得到了水體全年逐時溫度分布結果，根據垂向溫度

3、分布規(guī)律分析了地表水源熱泵利用:由于太陽能輻射的影響，在水表3m以內溫度梯度隨外界影響的波動幅度較大，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水溫計算結果得出，整個水體與氣溫的全年平均溫度相當，但波動幅度大大降低，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），體現了水體良好蓄能和溫度相對穩(wěn)定特點，因此地表水源比較空氣源是良好的空調冷熱源，而且夏季優(yōu)勢明顯;同時可以看出，對不同深度水體，水體越深，蓄能和隨環(huán)境溫度變化的滯后性能越強，溫度波動幅度也就越小，冷熱源優(yōu)勢越顯著。通過長期和短期實測數

5、據的驗證對比，表明全年長期數據具有統(tǒng)計規(guī)律，模擬值與實測值具有較好的吻合性，可作為研究應用的基礎理論數據。
　　 3)建立了較為系統(tǒng)和完整的適合不同管型的三維模型，采用混合網格的方法，在交接面進行分割有效解決了數值計算精度、容量和速度問題，進行了多物理場的耦合求解，模擬得出了不同類型盤管換熱器（螺旋立管、螺旋平鋪管和U型平鋪管）的傳熱結果。比較分析了不同管型的傳熱性能參數:螺旋管本身由于通道彎曲造成環(huán)流增強擾動，有利于管內流體的

6、換熱。但是由于管內換熱熱阻占總熱阻的比例僅為約3.5％，因此該優(yōu)勢影響非常小。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，正面效應是水溫提高加大密度小的流體浮升力、促使自然對流換熱系數加大，反面效應則造成水體溫升而降低實際的管內外換熱溫度差，反過來影響換熱。對不同管型，需要綜合分析該兩方面的效應，作用大小不同導致最終換熱效果不同，對螺旋立管，蓄熱過高，導致負面效應遠大于正面效應，因此雖然單位管長綜合傳熱系數為螺旋立

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大于負面效應，綜合換熱效果最佳，為73.02W/m;U型平鋪管綜合單位管長換熱效果為69.62W/m。通過多個工況實測驗證，與理論計算偏差較為接近，推薦模型采用0.9作為理論計算參數的修正系數，為閉式盤管換熱器的應用研究提供了理論依據

8、和參考數據，以指導工程應用。
　　 4)通過耦合室內負荷和室外氣象參數，對5m、10m和20m的負荷下水體溫度進行了計算，對水溫變化規(guī)律和承載負荷指標進行了研究分析。得出10m以內的淺型水體容易產生蓄熱大于蓄冷的不平衡，造成水體平均溫度的偏高，對夏季供冷為主的系統(tǒng)不利，對冬季制熱為主的系統(tǒng)相對有利;而對約10m以下的深型水體，蓄冷能力較強，長期運行造成水體溫度逐年降低，對夏季制冷為主的系統(tǒng)較為有利，但反之對冬季制熱為主的系統(tǒng)則不

9、利。
　　 5)針對不同深度水體，經過試算得到環(huán)境指標限制下的最大水體承載負荷，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)境標準和供能性能要求的最小水體負荷為水體的承載負荷指標:對于10m以上較深水體，環(huán)境標準限值下的負荷水溫也能達到供能要求，為水體最大承載負荷指標;而對5m淺水體，在環(huán)境指標下的負荷水體溫度為28.45℃，不能滿足供能性能要求，因此按照供能要求最大承