地源热泵系统负荷不平衡率对土壤温度的影响_曹馨雅
地源热泵土壤温度
地源热泵土壤温度1. 引言地源热泵系统是一种利用地下土壤、地下水或地表水的稳定温度来进行空调和供暖的能源系统。
其中,土壤温度是地源热泵系统运行的重要参数之一。
本文将详细介绍地源热泵系统中土壤温度的相关知识。
2. 土壤温度对地源热泵系统的影响土壤温度是地源热泵系统的重要输入参数,对其运行效果和能耗水平有着直接影响。
以下是土壤温度对地源热泵系统的几方面影响:2.1 系统效能土壤温度直接影响着地源热泵系统的效能。
通常情况下,较高的土壤温度会提高系统的制冷性能,而较低的土壤温度则会提高系统的供暖性能。
因此,在设计和选择地源热泵系统时,需要考虑当地的气候条件和土壤特性,以确定最适宜的工作参数。
2.2 土壤换热系数土壤换热系数是描述土壤传热性能的参数,其值与土壤温度密切相关。
一般来说,土壤温度越高,土壤换热系数越大,地源热泵系统的传热效果也会更好。
因此,在选择地源热泵系统的安装位置时,需要考虑土壤温度的分布情况,以获得更高的换热系数。
2.3 土壤稳定性地源热泵系统需要将热量从土壤中吸收或释放,并且要求土壤具有一定的稳定性。
土壤温度的变化会影响地源热泵系统的运行稳定性。
若土壤温度变化较小,则可以提高系统的可靠性和稳定性。
3. 土壤温度测量方法为了准确获取土壤温度信息,需要选择合适的测量方法。
以下是常见的几种测量方法:3.1 温探管法温探管法是一种常用且精确的测量方法。
该方法通过将温探管埋入不同深度的土层中,并通过传感器记录温度数据,从而获取不同深度处的土壤温度分布情况。
3.2 热板法热板法是一种通过测量土壤表面温度来推算土壤温度的方法。
该方法适用于测量较浅层土壤温度,通过在土壤表面放置热板,并记录其表面温度变化,可以间接获取土壤温度信息。
3.3 热流法热流法是一种通过测量地下热流来推算土壤温度的方法。
该方法适用于深层土壤温度的测量,通过埋设传感器并记录地下热流数据,可以计算得到不同深度处的土壤温度。
4. 土壤温度的季节变化特点土壤温度随季节变化呈现出一定的规律性。
最新气候条件对地源热泵系统性能的影响-外文翻译整理
气候条件对地源热泵系统性能的影响摘要:在中国的建筑物中,初级能源的30%用于加热和冷却。
在这方面应用最广泛的设备是锅炉和空调。
在许多应用中,热泵是唯一能满足加热和冷却要求的运行方式,因为他们可以利用建筑物周围的可再生能源。
在本文中,对气候对应用地源热泵系统技术的影响进行了对比讨论。
对结果进行分析能得出以下结论:如果只从土壤中吸取热量,在两个月后,地源热泵附近的土壤温度将减少到20摄氏度以下。
如果向土壤排入相同的热量三个月,土壤温度将会超过37摄氏度,那将不再适合于空调系统。
为了使作为热源/冷源的土地资源实现可持续利用,就应该使向土地排入的热量与从土地吸取的热量保持平衡。
在一些热不平衡的工程实例设计中,一些措施是可以考虑的。
关键词:气候条件;地源热泵;热不平衡1.导言用于家庭取暖和降温的能源消费量在世界能源消费量中所占的比例是一样的。
在中国大约一半的初级能源是以煤的形式供给的,而煤是不可再生能源。
在很多应用中,地源热泵(GSHPs)是供暖和降温的最有效方式,因为它们依赖于建筑物周围的可再生热源。
Lund JW(2000)指出地源热泵系统可以看成一个能高效利用能量的机械系统,而且比空气源热泵多了几个明显的优点。
主要有:(a)他们消耗较少的能量来维持运转,(b)在极低的外界温度下,他们不需要补充热量,(c)他们使用较少的制冷剂,(d)他们的设计比较简单,并且后期的维修保养费用较少,(e)他们并不需要专门的设备去查找那些因暴露而风化的部位。
不过,主要的缺点是初期投资比较高,大约比空气源设备高出30-50%。
这是由于要花费额外的人力物力来埋设热交换器或者为能源提供一口储蓄井。
但是,一旦安装完毕后,就整个系统的使用寿命而言每年的费用是比较低的,从而导致了净储蓄[1,2]。
在地源热泵应用中,对土壤热能的储存或提取是通过地热换热器(GHE)实现的。
地热换热器和贴邻的土壤之间的传热主要是热传导并在以一定程度上是以水分迁移的方式实现的[3]。
影响地源热泵系统的负荷特征和特性参数
2.1地源热泵系统冷热负荷分析对于传统空调,负荷分析的主要目的在于如何进行空调方案以及空调设备的优化选择[镐)。
对于地源热泵系统,其原理是将室内的冷热量排放到大地中,通过季节转换从大地吸热或排热。
其主要组成部分一地下换热器的工作性能直接与其承担的负荷特征有关,在地源热泵系统中,其负荷的特征影响到地下换热器的换热性能[49】,对拟采用地源热泵的工程进行负荷分析,其目的不仅仅是为设备选型服务,更重要的是分析地下换热器是否能长期正常运行,尤其是不同建筑的负荷特征作用下地源热泵系统是否能适应。
因此,冷热负荷的特性是构建地源热泵系统以及性能分析的前提,事关实际工程中地源热泵方案的可行性,其特性分析要比传统空调更为重要。
2.2地源热泵系统冷热负荷的动态特征量针对地源热泵的可行性和运行性能的变化,其动态负荷特征从工程实际应用出发,提出以下三个特征量来描述,历年负荷总量的累积特性、负荷强度的变化性以及负荷持续性。
2.2.1负荷总量的累积特性负荷总量的概念是指地源热泵的使用时间内,为了维持室内环境质量,要求地源熟泵系统排放给大地或从大地提取热量的总和。
对于地源热泵系统,室内的多余冷热量是通过地下换热器排放给大地。
由于地下换热器与大地的换热状态是一种不稳定传热。
热量的排放是以换热器为中心逐渐向周围岩土扩散;热量的提取是以换热器为中心,从周围岩土逐渐汇集。
从前期的研究看[.50l,随着负荷总量即排放总量的增加,热量大量聚集在换热器附近的岩土中,热量的扩散更加缓慢,地下换热器换热能力是持续衰减的。
地下换热器换热能力的恢复,要依靠从周围岩土中将热量提取出来,反之亦然。
如果历年累积的冷热负荷总量存在差异,并随使用时间的增加而累积起来,最终会使地源热泵难以正常运行。
因此,负荷总量的累积特征对地源热泵系统影响很大,甚至可能是决定地源热泵系统寿命的关键因素。
图2.1表征了3种典型的负荷总量累积变化特征。
第1种是平衡型,若工程是冬季开始投入使用,地源热泵从大地提取热量,地下换热器周围岩土中的热量逐渐减少,温度逐渐降低取热条件逐渐恶化,地源热泵能效比逐渐下降,直到取热结束。
冷热负荷非平衡地区土壤源热泵土壤热失衡研究现状及其关键问题
YANG We i - b o, Z HANG S u — S U
( Y a n g z h o u U n i v e r s i t y , Y a n g z h o u 2 2 5 1 2 7, C h i n a )
Ab s t r a c t : U n d e r g r o u n d t h e r ma l i m b a l a n c e i s a c o m m o n p r o b l e m i n g r o u n d c o u p l e d h e a t p u m p( G C H P )s y s t e m o p e r a t e d i n d i s -
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F LUI D MACHI NERY
Vo 1 . 4 2, No . 1, 2 01 4
文章 编 号 : 1 0 0 5—0 3 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 1— 0 0 8 0— 0 8
冷热 负荷非平衡地区土壤 源热泵 土壤热 失衡 研究现状 及其关键 问题
杨 卫波 。 张苏 苏
Re s e a r c h S t a t us a nd Ke y Pr o bl e m o f Unde r g r o und The r ma l Unba l a nc e o f Gr o n d u Co up l e d
He a t P u mp Op e r a t e d i n Di s t r i c t s wi t h Un b a l a n c e d Co o l i n g a n d He a t i n g L o a d
际应用提供参考 。Байду номын сангаас
土壤源热泵夏季工况下运行温度场分析
建筑与预算CONSTRUCTION AND BUDGET2019年第7期DOI:10.13993/ki.jzyys.2019.07.017收稿日期:2019-02-11作者简介:潘欣(1993-),女,硕士,主要从事建筑节能方向研究。
E-mail:1462004347@中图分类号:TK122文献标志码:B文章编号:1673-0402(2019)07-0059-031土壤源热泵的概念土壤源热泵系统在日常生活中使用广泛,从能量角度理解,它是由三种能量系统组成。
首先是位于地下的埋管换热器进行热量的收集,也就是热量采集系统;第二部分是把从地下土壤中获得的热量进行提升,期间消耗少量的高品位能量电能,这种系统叫做能量提升系统;第三种系统是把经过消耗电能得到的能量进行释放,冬季时向室内供暖以提高室内温度,这种能量提升系统称作能量释放系统。
地源热泵就是由这三种能量系统组成。
冬季室内与室外温度相比,室内温度高,室外温度低,地下土壤的温度要高于室外气候温度,此时地源热泵系统从土壤中吸收热量在制热工况下工作,向室内供暖;夏季地源热泵处于制冷工况,同时把室内热量排到地下。
图1热泵工作原理示意图2模型的建立2.1模型假设模型的建立应该考虑实际工程情况,因此实际工程中应用的尺寸、条件、工况等都需要在建立模型时考虑进去。
埋管换热器位于地下,因此埋管换热器的形状、地下的结构也需要考虑进去。
以下是模型的假设条件:土壤源热泵夏季工况下运行温度场分析潘欣,刘冰红(沈阳建筑大学市政与环境工程学院,辽宁沈阳110168)摘要:地源热泵技术广泛应用在工业产业和日常活动中,地球不可再生能源日益短缺,地源热泵技术的作用也变得越来越重要。
地埋管换热器作为土壤源热泵系统的重要组成部分,其换热效果对热泵运行效率有着非常关键的作用。
本文根据地源热泵系统夏季工况运行对周围土壤温度产生的影响,研究埋管周围土壤的温度场变化。
对夏季土壤温度场用FLUENT 模拟软件进行分析,地埋管周围土壤在地下2m 处和地下30m 处会有明显的不同。
排取热量不平衡对地源热泵运行性能影响的实验研究
排取热量不平衡对地源热泵运行性能影响的实验研究下面是本店铺给大家带来关于排取热量不平衡对地源热泵运行性能影响的实验研究,以供参考。
结合一地源热泵示范工程,建立了竖井与地基桩单U型管埋地换热器联合使用的地源热泵系统的综合性能实验装置。
通过对系统两年运行测试数据的分析,研究了埋地换热器向地下排热量与从地下取热量不平衡,对系统制冷以及供暖运行性能影响情况,为地源热泵的工程设计提供了参考。
1 引言地源热泵系统的运行性能受多种因素影响,如埋管周围土壤、回填材料的热物性,建筑物的冷热负荷等。
在我国大部分地区,建筑物的冷负荷以及其运行时间往往大于供暖负荷,在这种情况下,地源热泵系统将给地下造成很大的冷热量不平衡,使土壤温度升高,这会有利于冬季供暖运行,而不利于夏季制冷运行,甚至若干年后不能向地下排热。
本文结合天津一示范工程及其利用计算机自动监控和数据采集系统所获得的运行数据,对埋地换热器向地下排热量与从地下取热量不平衡对地源热泵机组以及系统运行性能的影响进行分析研究,为地源热泵的工程设计提供参考。
2 组合型垂直埋管地源热泵系统本地源热泵系统埋地换热器采用桩埋管和垂直竖井埋管两种方式,所有埋管均采用高密度聚乙烯塑料管,钻孔直径为300mm,桩埋管埋深为20m,共60口;垂直竖井埋管埋深为90m,共21口。
地源热泵示范工程运行系统流程主要由三部分组成:1)地下埋管换热器闭式循环系统;2)半封闭单螺杆压缩式热泵机组;3)空调末端循环系统。
数据实时监控和采集系统(SCADA)包括测温部件铜—康铜铠装热电偶、流量传送器、功率变送器、PLC下位机、组态王软件和PC 上位机。
地源热泵系统实验测试的对象如下:地下不同深度上的土壤温度,桩埋、井埋进出口水温、流量,以及机组和水泵等功率。
3 土壤冷热量平衡分析截至到本文完成时,共取得两个制冷季(2003-7-11到2003-9-7与2004-6-1到2004-9-21)和两个供暖季(2003-11-17到2004-3-16与2004-11-11到2005-3-22)的完整运行数据。
土壤源热泵系统地下热平衡问题分析
谢谢大家!
33
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地下热平衡的解决措施
纠正对土壤源热泵认识——解决地下热平 衡 的意识问题
正确认识与理解土壤源热泵的实质——以地下土 壤作为蓄能体的地下蓄能及再利用系统,应把地 下当作蓄能体来使用。
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系统热平衡的校核计算
系统设计前应对拟建项目进行全年动态负荷计算及 至少一年的地下埋管区土壤温度场的数值模拟,掌 握全年负荷特征及地下土壤温度的变化趋势,并考 虑过渡季及间歇运行时土壤温度恢复情况。在此基 础上,以年为时间尺度,以土壤温度复原作为评价 基准,来对地下埋管的深度、数量及间距进行优化 设计。
6
计算结果
➢ 夏季放热大于冬季吸热情况
夏季放热150d后土壤温度分布/℃
7
运行一年后土壤温度分布/℃
8
运行10年后土壤温度分布/℃
9
中心温度/℃
32
30
28
26
24
22
20
18
16 0
2
4
6
8 10
运行时间/年
埋管区中心温度随运行时间变化
10
➢ 冬季吸热大于夏季放热情况
冬季吸热150d后土壤温度分布/℃
释能结束恢复后
先外后内释能模式土壤温度分布
28
(1)从能源有效利用的角度考虑(防止热扩散) 外强内弱模式优于内强外弱模式,先内后外模
式优于先外后内模式。 (2)从土壤热平衡角度考虑(强化热扩散)
内强外弱模式优于外强内弱模式,先外后内模 式优于先内后外模式
29
➢ 埋管区域土壤温度变化的监控
在埋管区土壤关键位置设置温度传感器,及时监 控土壤温度的变化,一旦温度超过设定置时,可 以开启辅助调峰设备,避免热堆积。
土壤源热泵系统热平衡问题对生态环境的影响
ZHU ng-en,DU en— ho f zh yu
( n i n na S i c n n ie r g S h o o ay a nv ri f e h o g , a u n0 0 2 ,S a x , hn ) E vr me tl c n e a d E gn e i c o l f iu n U i s y o c n l y T i a 3 0 4 h n i C ia o e n T e t T o y
起 土 壤 中微 生 物 环境 , 物 生 存 环 境 的 变 化 , 而 影 响 到 整 个 生 态 环 境 , 出 , 推 广 土壤 源 热 泵过 程 中 应 注 意 的 问题 及 植 进 提 在
某土壤源热泵系统冷堆积问题分析
某土壤源热泵系统冷堆积问题分析作者:曾邦杰来源:《城市建设理论研究》2013年第03期摘要:针对包头市某地源热泵系统冬季运行状况较差的问题,通过对系统评价分析,排除地埋管损毁因素之外,结果表明该系统出现冷堆积现象。
针对此问题提出了地源热泵系统的热平衡解决方案。
关键词:土壤源热泵;热平衡;实例分析;解决方案Abstract:A problem of the winter operation performance of a practical ground source heat pump system in Baotou, based on the analysis of the evaluation system, exclusion of buried pipe damage factors, the results show that the system have a cold accumulation phenomenon.Aiming at this problem, put forward ground source heat pump system heat equilibrium solution.Keywords: ground-coupled heat pump; heat balance; case analysis; solution中图分类号:TU831文献标识码:A0 引言土壤源热泵是一种利用地下土壤作为热泵低位热源,通过输入少量的高品位能源(如电能),实现热量从低温位向高温位转移的热泵系统[1]。
地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源,即在冬季,把地能中的热量取出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量取出来,释放到地能中去。
在能源短缺的今天,利用浅层地温能这一清洁可再生的新能源改善环境污染状况日益受到国家和地方政府的重视,近年来相继出台了一系列支持鼓励政策和管理法规,各地政府还财政补贴浅层地温能的开发利用[2]。
无锡某科技住宅项目地源热泵土壤热平衡分析
无锡某科技住宅项目地源热泵土壤热平衡分析摘要:本文利用TRNSYS软件对无锡某采用地源热泵系统的住宅项目进行地下土壤热平衡模拟分析。
模拟运行结果表明:该项目地源热泵工程的热平衡状况良好,符合系统多年稳定运行的条件。
关键词:TRNSYS;地源热泵;热平衡一、工程概况项目地块位于无锡市滨湖区太湖新城板块,观山路和瑞景路交汇处,距中山路-崇安寺商圈约10公里,紧靠无锡新市政府,属于板块中区的生活居住片区,地处板块核心区域,权属明确。
规划用地面积123153.4平米,基地东西长约355m,南北长约370m。
基地地势较平坦,平均黄海高程3.9米左右。
本次计算是针对整个地块建立的模型,囊括了地块内所有采用集中空调及热水系统的楼栋。
二、计算软件及理论本次计算采用的软件版本为TRNSYS_16。
TRNSYS软件中的地埋管换热器模型采用(Duct storage system—DST)中心对称的竖直有限长柱热源模型,基于以下两点假设:1)换热器管群中钻孔均匀布置(忽略钻孔布局形状的影响);2)钻孔内部是对流换热而外部与土壤之间是导热。
钻孔与土壤之间的热流量大小由流体温度、热交换性能和钻孔周围的土壤温度决定,而温度以及由温差引起的热流沿管道是变化的。
吸收或放出热量的多少将影响土壤综合的传热过程,同时,综合温度场也会对局部传热问题分析产生影响。
假定换热器均匀排列,基于这种对称性,换热器与换热区域也一一对应。
埋管的公共区域面积用表示。
对矩形的钻孔布置而言,钻孔间距为B和,则公共区域面积为:四、系统运行策略天棚辐射系统夏季冷负荷为3134.4KW,冬季热负荷为2076.9KW;新风冷负荷3091KW,新风热负荷1792.6KW,热水设计制热量为760KW。
考虑系统位于夏热冬冷地区,建筑空调全年负荷以冷负荷为主导,故在夏季供冷时,系统的新风冷负荷由新风用冷水机组优先承担,余下不足部分由新风用热泵机组承担。
根据系统负荷和无锡气候特点,系统供冷季设定为5月1日---10月16日,供热季设定为12月15日---3月15日。
土壤源热泵系统热平衡问题浅析
土壤源热泵系统热平衡问题浅析摘要:热泵技术是最有效的建筑节能技术之一,近年来,土壤源热泵以其良好的环境效应和节能效果受到极大关注,但是土壤源热泵在应用时存在着部分地区冷热不平衡的问题,因此,如何克服热平衡弊端,扩大土壤源热泵的适用范围已经成为一项热门课题,本文提出了几种克服土壤热平衡问题的解决方案,为今后的土壤源热泵设计提供参考。
关键词:土壤源热泵;热平衡;复合热源热泵1前言地下一定深度的土壤温度相对稳定,土壤源热泵就是利用土壤相对于空气而言,冬季温度高而夏季温度低的特点,以大地作为热源与建筑物进行热交换,从而达到节能的目的,因此被称为21世纪的“绿色空调技术”。
它不需要任何形式的人工热源,冬季从土壤中提取热量,向建筑物供暖,同时蓄存冷量,以备夏用;夏季向建筑物提供冷量并将建筑物的排热量释放到土壤中,同时蓄存热量,以备冬用。
土壤源热泵系统要保持长期高效运行,就必须保证土壤的热平衡,即冬夏季从土壤中提取和释放热量的平衡,保证以年为周期时的土壤温度场的稳定。
2土壤源热泵系统土壤热平衡问题原因分析2.1冷热负荷不平衡我国幅员辽阔,各地区气候差异较大,很多地区建筑物全年冷、热负荷差异很大,导致土壤源热泵系统冬季从土壤中提取的热量和夏季释放到土壤中的热量难以平衡,因此,土壤源热泵在应用时若不采取措施,而是直接根据需求量取热和放热用以满足冬夏负荷需求,必然会导致土壤温度偏离其原始温度,即土壤热不平衡现象,导致系统性能下降。
在北方地区,冬季热负荷大于夏季冷负荷,热泵从土壤中提取的热量大于夏季向土壤中释放的热量,导致土壤温度降低,机组蒸发温度降低,系统耗功量增加,供热量减少,热泵的循环性能系数COP降低;在南方地区,夏季冷负荷大于冬季热负荷,热泵向土壤中释放的热量大于冬季从土壤中提取的热量,导致土壤温度升高,机组冷凝温度升高,系统耗功量增加,制冷量减少,热泵的能效比EER降低。
因此,土壤源热泵适用于冬夏冷热负荷相差不大的地区,根据实测和理论计算,一般情况下,建议冬夏向土壤的吸排热量相差不大于20%为好[1]。
地源热泵工程对地质环境影响评价评价评价
? 影响回灌井质量,导致回灌率下降。
地表水源热泵(开式)系统
地表水体的影响
? 在排热的情况下,增加水微生物滋生速度 ,污染水体,影响正常水体的生物链。
? 影响热泵系统的正常运转(严重导致停运 )。
七、地(地埋管)源热泵系统
岩土体的影响
用友软件园地源热泵工程监测系统监测系统g点温度变化曲线g点处监测点温度变化曲线2007615200762210152025120m100m60m40m200510292006421温度变化曲线200611242007320监测曲线海剑大厦地下水热泵系统200611232007315监测曲线10121416供水温度回水温度温差同井抽灌原理单井抽灌形式的地下水源热泵系统监测曲线15号测温井2007年1月1日12月31日不同深度温度变化曲线图金四季热水机房20032008二次水蒸发器进水温度汇总10111213141516171819二次水来水温度二次水来水平均温度20032008年金四季地源热泵工程水温监测曲线适应条件1
我国气候分带
2.浅层地温(热)能热物性
? 资源指的是一切可被人类开发和利用 的物质、能量和信息的总称,它广泛 地存在于自然界和人类社会中,是一 种自然存在物或能够给人类带来财富 的物质。地壳浅部(0-200m)长期受 太阳能的热辐射作用和地球深部热能 向地表释放,两方面的热量在地下所 保存了一定的能量。
? 岩土导热系数的倒数即为岩土的热阻系数或热阻 率(ξ;m·h ℃/kcal )。
岩土热传导系数或传导率(a)
? 又称热扩散系数,是一个综合性参数,即岩土层 中热能传播的速度。表示在非稳定热态下,岩土 单位面积在单位时间内温度的变化( m2/h; 或 cm2/sec)。在分析钻孔内温度平衡的形成条件和 用人工热场方法研究孔内温度场变化具有意义。 其关系式:
地源热泵应用对环境的影响及解决方案
地源热泵应用对环境的影响及解决方案【摘要】地源热泵是一种新型、环保、节能的空调技术,但是也存在着一些弊端。
本文分析了地源热泵对环境的影响,并提出了一些相关的解决方案,【关键词】地源热泵环境影响中图分类号:B845.6 文献标识码:A0 引言地源热泵是一种新型、环保、节能的空调系统。
地源热泵利用地下水、地表水(水源热泵)或者土壤(土壤源热泵)作为热源,实现夏季制冷、冬天供热的高效节能空调系统。
地源热泵冬天从地下水、地表水或者土壤中采热,夏季将热量排入,减少了热污染。
Swardt、Derder[1,2]等通过试验及数值模拟表明,地源热泵的制热容量、制冷系数等方面优于空气源热泵,而且地源热泵的运行费用也显著低于空气源热泵。
由于地源热泵的经济性优势,近年来地源热泵作为一种新型的节能空调系统应用越来越加广泛。
在政府的鼓励和支持下,地源热泵成了一种新的发展热潮。
目前国内市场上销售的地源热泵国内外品牌已经有100家左右,使用地区也已经遍布全国[3]。
如此的发展浪潮下,地源热泵所产生的环境影响也愈加受到国内外广大学者的关注。
例如地表水源热泵会使水体局部温度上升或者下降,地下水源热泵的回灌不完全,可以造成地面下沉等问题,土壤源热泵利用使土壤温度不均匀而导致热泵实效等。
1 水源热泵应用度环境的影响及解决方案1.1 地表水源热泵对环境的影响及解决方案地表水源热泵直接或者利用地表水(江、河、湖泊、水库)进行换热的方式作为机组的冷热源。
地表水源热泵夏季将热量直接排入水中,冬季直接从地表水中获取热量,尽管地表水之间能够散热或者吸热,但是排放或者吸取的热量不能够及时补充,就会对水体温度场的分布造成影响。
当水温升高的时候,水中的溶解含氧量就会降低,从而加速了水中有机物的分解,更加增大了耗氧量,而且水温的升高加速藻类植物以及水草的生长,这对水类动物也会造成影响,甚至造成鱼类的死亡。
目前国内外学者对地表水源热泵的对环境的影响以及解决方案方面的研究比较少。
地源热泵系统热平衡分析
地源热泵系统热平衡分析摘要:地源(土壤源)热泵系统长期运行后会出现一个问题:土壤热不平衡问题,这是一个会严重影响系统高效稳定运行的问题,同时对土壤环境造成影响,基于地源热泵系统土壤热不平衡问题,本文从多角度进行了分析并提出了相应的改善措施。
近年来地源热泵应用的数量和规模在不断增加,该系统主要应用于住宅、写字楼和商场[1]。
地源热泵系统是在土壤中设置U型地埋管群作为系统的换热器,通过管内闭式水循环来进行放热或取热,这样系统在运行过程中不会对地下水和土壤造成污染,所以系统稳定性高,适用的范围较广。
但是该系统在多年的实际工程运行中,普遍出现了土壤热不平衡问题,即在地源热泵系统应用的范围内,系统换热端在运行周期内在土壤中的释热量和吸热量不等,土壤的热不平衡问题会随着运行年数的增长逐渐凸显,从而造成系统运行的效率逐步降低,同时土壤温度的变化对周边环境也有一定的影响,基于上述问题,本文对该问题产生的原因从对角度进行分析并提出的相应改善措施。
一、土壤热不平衡产生的原因地下土壤作为地源热泵系统的冷热源,夏季制冷时将室内热量取出释放到土壤中,冬季又从土壤中取出热量用于室内制热,循环往复这样实现能源的再生利用,因此为了保证系统的高效稳定运行,必须保证全年内地源热泵埋管换热器运行所在区域土壤的热平衡。
但是很多工程应用中地源热泵系统随着运行年数的增加,土壤中形成了热量或冷量的堆积,即土壤热不平衡。
土壤热不平衡造成埋管区域内的土壤温度升高或降低,使之逐渐偏离系统正常运行所需要的温度,从而系统的运行效率和稳定性会大大降低,而且土壤温度变化会在一定程度上对周边的生态环境造成影响[2],因此必须解决土壤热不平衡这个问题。
根据现有的文献研究[3],在全年热不平衡率为3%和10%的情况下,系统经过5年运行后,埋管区域内土壤的温度分别增长了0.81℃和2.81℃,可以看出埋管周围土壤温度的变化幅度随着热不平衡率的增加而增加,因此对系统的运行效率影响也增大。
地源热泵运行特性影响因素
地源热泵运行特性的影响因素研究与传统的空调冷热源相比,地源热泵在运行能耗和环境特性等方面具有更大的优越性。
虽然受地下埋管内流体与土壤之间热交换速率的影响,需要布置较大的换热器面积和较高的投资成本,但地下土壤依然是一种较为理想的热泵低温热源和高温热汇。
地源热泵冬季和夏季运行特性实验表明,即使作为尚须进一步优化的实验系统本身也可取得较理想的结果,地源热泵作为一种空调冷热源方式,无论在环境方面还是在运行能耗方面,都具有很大的发展潜力。
然而,就目前的现状而言,地源热泵还没有获得和空气源热泵一样的广泛应用,其原因,一方面可归结为地源热泵较高的投资成本和需要一定的场地要求,但可能更重要的原因是,迄今为止,还缺乏一种可靠的地源热泵设计方法和模拟模型。
国内最近几年在地源热泵研究方面,主要是对特定的地源热泵试验系统的结果整理与分析,所得到的结论一般只适合于特定条件下的地源热泵系统。
地源热泵的理论与实验研究结果表明,地源热泵系统的运行特性依赖于热泵机组性能和埋管换热器性能之间的相互耦合关系。
热泵机组容量大小、埋管长度、埋管井分布、和土壤特性等因素都影响和制约着地源热泵的运行特性。
地源热泵系统在冬季和夏季运行时,热泵启动初期,埋管井壁温度、埋管换热器出水温度、热泵循环性能系数呈现出较快的变化趋势,运行约200小时后,热泵工况趋于稳定,这一结果与实验结果相吻合;地源热泵经过一个冬季或者夏季运行后,在热泵停运的过渡季节,埋管井壁土壤温度可恢复到原始温度的水平。
由于这一特性,在地源热泵的长期使用过程中,其循环特性并不会产生和初期使用时的显著差别;由于埋管井土壤温度变化特性的影响,导致地源热泵冬季运行时,埋管换热器出水温度较低,而夏季埋管换热器出水温度则较高的现象。
地源热泵的模拟结果同样证明了这一结论。
如冬季运行时,最后一时刻的埋管换热器出水温度为2.10℃、进水温度已达到0℃、制热系数为3.09;夏季运行时,最后一时刻的埋管换热器出水温度为42.70℃、进水温度为46.80℃、制冷系数为2.60。
地源热泵系统土壤温度变化的影响因素分析
地源热泵系统土壤温度变化的影响因素分析陆游;王恩宇;杨久顺;齐承英【期刊名称】《河北工业大学学报》【年(卷),期】2015(044)001【摘要】对实际运行的地源热泵系统土壤温度进行了分析,获得了土壤温度受地源热泵的释/吸热不平衡、释吸热量以及土壤过渡季自然恢复能力等因素的影响情况.研究结果表明,系统初期的运行模式对土壤温度具有重要的影响.试验系统在供热季末期吸热量为l 106 kW.h以下时土壤温度可以自动回升,在供冷季末期释热量为1 350 kW.h以下时,土壤温度也可以自动下降.在文中土壤条件下过渡季对土壤温度的恢复作用十分有限,土壤温度的动态平衡主要依赖地埋管换热器的全年热平衡.根据空调系统的冷热负荷差异,在设计和运行时通过必要措施来避免地埋管换热器的热失衡,是地源热泵系统长期可靠运行的关键.【总页数】7页(P66-72)【作者】陆游;王恩宇;杨久顺;齐承英【作者单位】河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401;河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401;河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401;河北工业大学能源与环境工程学院,天津300401【正文语种】中文【中图分类】TK51;TK52【相关文献】1.地源热泵系统土壤温度变化的影响因素分析 [J], 狄海涛2.地源热泵系统运行参数及土壤温度变化特性分析 [J], 张占辉;王恩宇;耿磊;陈宇朴;齐承英3.地源热泵系统运行中土壤温度场变化特性的实例分析 [J], 王华军;杨立新;顾吉浩;李娜娜;齐承英4.输油管道土壤温度场变化的影响因素分析 [J], 孙楠;马贵阳;申路飞;顾锦彤5.低温余热蓄热型地源热泵系统运行土壤温度场特性研究 [J], 王松庆;李昳瞳因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
地源热泵间歇运行方式对地温恢复和机组能效的影响研究
地源热泵间歇运行方式对地温恢复和机组能效的影响研究吴春玲;惠超微;王雯翡;李晓萍;付旺【期刊名称】《制冷与空调(四川)》【年(卷),期】2014(028)004【摘要】优化地源热泵的运行管理策略,降低土壤热不平衡对地源热泵机组性能的影响,是保证地源热泵机组长期稳定高效运行的重要措施.以天津市某办公楼的地源热泵系统为研究对象,对其多年运行之后的土壤温度变化和系统能效变化进行了模拟分析,分析比较了不同间歇运行方案下得到的土壤温度和热泵机组能效的变化.结果表明,地源热泵机组连续运行30年时,土壤温度受热不平衡的影响,呈逐年波动式上升,前15年上升幅度较大,后15年增幅较缓.地源热泵系统间歇运行将有利于地温的恢复,机组的启停比对地源热泵系统土壤温升的累计影响显著大于运行起止时间对土壤温升的影响.研究结果可为地源热泵系统的运营管理提供重要参考与借鉴.【总页数】6页(P410-414,421)【作者】吴春玲;惠超微;王雯翡;李晓萍;付旺【作者单位】中国建筑科学研究院天津分院天津 300384;中国建筑科学研究院天津分院天津 300384;中国建筑科学研究院天津分院天津 300384;中国建筑科学研究院天津分院天津 300384;中国建筑科学研究院天津分院天津 300384【正文语种】中文【中图分类】TU831.6;TU111.19+5【相关文献】1.复合地源热泵间歇运行时地温恢复特性的研究 [J], 迟玉霞;王景刚;鲍玲玲2.大规模地源热泵地温恢复特性研究 [J], 刘俊;张旭3.LS12螺杆空压机间歇运行方式实现及节能效果分析 [J], 朱机灵;商剑锋4.地源热泵间歇运行地温变化特性及恢复特性研究 [J], 尚妍;李素芬;代兰花5.基于全寿命周期成本的地埋管地源热泵系统间歇运行能效分析 [J], 王勇;刘清华因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
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本文对一实际建筑的地源热泵系统建立模型,以 年为周期分析建筑冷热负荷不平衡率对土壤温度的 影响。通过对该系统长期运行工况的模拟,得到地埋 管出口水温的逐时变化,发现由于土壤本身具有一定 的热扩散能力和蓄热能力,即使建筑物冷热负荷不平 衡,但在一定范围内土壤的恢复能力也可保证系统长 期有效的运行。可见,地源热泵系统是允许有一定冷
0 引言
就建筑物负荷自身的特点而言,我国大部分地区 的地源热泵系统都面临地下排热量和取热量不平衡 的问题。当建筑物冷热负荷不平衡时,地埋管换热器 夏季累计向土壤的放热量与冬季从土壤的取热量并 不一致,这样长期取放热量不平衡的堆积若超过土壤 自身对热量的扩散能力,造成土壤温度不断偏离初始 温度,并导致地埋管出口水温随之变化,系统运行效 率逐年下降。这一方面会影响地源热泵的运行性能, 另一方面也会导致土壤物性参数的变化[1 ̄2]。
2.2 地源热泵系统模拟及结果分析 采用 TRNSYS 瞬时系统模拟程序软件模拟地源
热泵系统。TRNSYS 是模块化的动态仿真软件,即认 为所有系统均由若干个小的系统(即模块)组成,一个 模块实现某一种特定的功能。该软件的地源热泵系统 模块地下换热器的数学模型是采用比较接近实际传 热的柱热源模型。利用叠加原理获得土壤中的温度分 布,即把地埋管换热器与土壤传热的问题分解成全局 传热问题、局部传热问题和稳态传热问题,再把由这三 个传热问题得到的各点土壤温度进行叠加从而得到 该点的土壤总温度。前两个问题用有限差分法来解决, 第三个问题通过解析解得到[4]。
根据当地热响应测试得到,土壤导热系数 λ=
图 3 第一年地埋管出口水温随时间变化
由图 3 可知,第一年空调系统第一天刚开始运行 时(即 1 月 1 日 7 点)地埋管出口水温初始为 19.22℃,
第 31 卷第 5 期
曹馨雅等:地源热泵系统负荷不平衡率对土壤温度的影响
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当日运行结束时地埋管出口水温降至 14.9℃,经过夜 间的恢复,至第二天 1 月 2 日 7 点再开始运行时地埋 管出口水温恢复至 18.98℃。随着系统的运行,不断地 吸取地下土壤的热量,地埋管出口水温不断下降。运 行至 2 月 8 日 19 点(即第 955 小时)地埋管出口水温 降至冬季最低,为 12.27℃。冬季结束即 3 月 31 日当日 地埋管出口水温最低为 15.29℃。之后进入春季的恢复 季节,6 月 1 日 7 点地埋管出口水温恢复至 19.16℃, 之后空调系统进入夏季工况运行,夏季工况第一天 (即 6 月 1 日)地埋管出口水温最高升至 24.22℃,经过 夜间的恢复,至 6 月 2 日 7 点空调运行前地埋管出口 水温恢复至 19.47℃。随着系统的运行,不断向地下土 壤放热,地埋管出口水温不断升高,运行至 8 月 19 日 17 点 (即第 5321 小时) 地埋管出口水温升至夏季最 高,为 32.75℃。夏季结束即 9 月 30 日当日地埋管出口 水温最高为 26.28℃。之后进入秋季的恢复季节,12 月 1 日 7 点地埋管出口水温恢复至 20.29℃,之后进入下 一个冬季工况运行。
由数据可知,该系统第一年夏季工况运行前地埋 管出口温度为 19.16℃,经过一个夏季的运行,地埋管 出口水温升至 26.28℃,然后经过一个秋季,地埋管出 口水温恢复至 20.29℃,并未恢复至初始温度,提高了 冬季的换热效率。冬季工况运行结束时,地埋管出口 水温降至 15.55℃,然后经过一个春季,地埋管出口水 温恢复至 19.38℃,比第一年该时间的地埋管出口水温 升高了 0.22℃。
第 31 卷第 5 期 2012 年 10 月
文章编号:1003-0344(2012)05-005-4
建筑热能通风空调 Building Energy & Environment
Vol.31 No.5 Oct. 2012.5 ̄7
地源热泵系统负荷不平衡率对土壤温度的影响
曹馨雅 周亚素 方辉旺
东华大学环境科学与工程学院
3 结论
图 5 每年同一时间地埋管出口水温
为了分析冷热负荷不平衡率对地源热泵系统长 期运行的性能影响,模拟其十年的运行工况,地埋管 出口水温随时间变化如图 4。由于数据量过多,为方便 比较,取每年 6 月 1 日 7 点运行前的地埋管出口水温 进行比较,即认为第一年 6 月 1 日 7 点运行前的地埋
该建筑冬夏冷热负荷不平衡,夏季向土壤的排热 量大于冬季的吸热量,峰值负荷不平衡率达 32%,累 积负荷不平衡率达 135%。经过十年的运行,6 月 1 日 7 点,即夏季工况开始运行前的地埋管出口水温升高 了 0.5℃,即 Σ△t1,10=0.5℃,虽然换热量有所下降,但基 本满足热泵机组的进口水温要求。
1 热平衡问题的分析
土壤的初始温度较低,所以夏季刚开始运行地源
热泵的效果是比较好的,但随着夏季运行时间的推移, 土壤温度逐渐升高,地埋管换热器的换热效率会逐渐 下降。在冬季工况时,随着冬季运行时间推移,土壤温 度逐渐下降,地埋管换热器的换热效率也会逐渐下降。
根据建筑物功能的不同,建筑冷热负荷特性也有 所不同。对于办公类的建筑,负荷主要集中在白天,第 一日运行结束后,至第二日运行前有一段停止运行的 时间,若这段恢复时间能使地埋管换热器周围土壤温 度恢复到接近初始状态,则主要进行以日为周期的负 荷变化特性分析;如果一日内不含恢复期,一周内地埋 管换热器具有恢复期,可能使第二周运行前地埋管换 热器周围土壤温度能够恢复到初始状态,就应进行以 周为周期的负荷变化特性分析;对于酒店类的建筑,负 荷主要集中在夜晚,白天也有较低负荷,负荷持续性 强,这就应进行以季节为周期(一个运行季和一个恢复
收稿日期:2012-4-5 作者简介:曹馨雅(1989 ̄),女,硕士研究生;上海市松江区人民北路 2999 号 4 号楼 1165 室(201620);E-mail: chrisdi@163.com
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建筑热能通风空调
2012 年
季)的负荷变化特性分析;如果季节运行期内土壤温 度仍不能恢复,就应以年为周期进行负荷变化特性分 析[3]。若地源热泵系统运行一个夏季后,地埋管换热器 周围的土壤温度升高,然后经过秋季的恢复,土壤温 度仍高于初始温度,那么对于地源热泵系统冬季工况 的运行是有利的。所以,应分析每个周期年之后地埋 管换热器周围土壤温度与初始土壤温度的变化,以及 连续运行多年后土壤热堆积对系统运行特性的影响。
本系统采用的模块流程示意图如图 2。为了清晰 地显示各模块之间的连接,图中略去了控制模块。
房间内共 4 人,4 台电脑,工作时间为周一至周日 8:00 ̄20:00;照明负荷为 10W/m2。夏季室内空调设计 温度 26℃,冬季室内空调设计温度 20℃。采用 eQuest 软件模拟全年动态负荷。eQuest 用反应系数法来计算 建筑围护结构传热量。模拟全年逐时负荷结果如图 1。
图 2 TRNSYS 模拟流程示意图
该实验室空调运行时间为 6 月 1 日~9 月 30 日制 冷,12 月 1 日~3 月 31 日制热,每天 7:00~19:00 开机, 夜间停机,即夜间为地埋管换热器周围土壤温度的恢 复期。该地区土壤初始温度经实测为 19℃。设定好各 个模块的参数后,导入全年动态负荷。模拟出第一年 1 月 1 日~12 月 31 日全年埋管出口水温随时间变化如 图 3。
摘 要:本文分析了地源热泵系统建筑冷热负荷特性对土壤温度的影响。以一实际建筑为研究对象,模拟了冷热 负荷不平衡情况下地源热泵系统地埋管出口水温的动态变化,并由此给出研究建筑冷热负荷不平衡率对土壤温 度的影响时应综合考虑的因素。 关键词:地源热泵 冷热负荷不平衡率 出口水温
The Influenc e t o t he Soil Tem perat ure of Building Cooling and Heat ing Load Im balanc e Rat io in GSHP
CAO Xin-ya, ZHOU Ya-su, FANG Hui-wang College of Environmental Science & Engineering, Donghua Unives article analysis on the influence to the soil temperature of building cooling and heating load characteristic in GSHP. Taking an actual building as an example, simulate the dynamic change of the outlet water temperature of buried pipe under the situation of load imbalanced, and thus give the factors should be considered when study the influence to the soil temperature of building cooling and heating load imbalance ratio. Keywor ds: GSHP, cooling and heating load imbalance ratio, outlet water temperature
由数据分析可知,该地源热泵系统运行第二年的 地埋管出口水温比第一年同一时间点的地埋管出口 水温的增量较大,即△t1,2=0.22℃,因为系统向土壤的 排热量超过了土壤的热扩散能力,所以土壤温度升高, 地埋管出口水温升高。随着系统的运行,之后每年该 时 间 点 的 地 埋 管 出 口 水 温 的 变 化 值 逐 年 减 小 ,即 △t2,3=0.09℃,表示第三年的地埋管出口水温比第二年 升高了 0.09℃;△t3,4=0.05℃,表示第四年的地埋管出口 水温比第三年升高了 0.05℃,……△t9,10=0.01℃,表示 第十年的地埋管出口水温比第九年升高了 0.01℃,土 壤与埋管的换热量和土壤的热扩散的热量逐渐达到 平衡,系统运行趋于稳定状态。