直接膨胀式地源热泵单U换热器传热特性及系统性能分析

【摘要】：随着可持续发展战略的提出，地源热泵作为一种可再生能源利用技术，近年来成为我国研究热点。其中直接膨胀式地源热泵由于其具有良好的系统性能，使得该技术适合在中国广大村镇地区以及具有较为宽阔场地的城市地区推广使用，有利于建筑节能在这些地区的开展。本文探讨直接膨胀式地源热泵单U埋地换热器与地下土壤的耦合传热关系，提出单U埋地换热器的优化设计方法；结合实际运行工况探求直接膨胀式地源热泵系统的设计工况，其研究成果将为直接膨胀式地源热泵广泛应用打下理论基础。 本文首先建立了直接膨胀式地源热泵单U埋地换热器地下传热的物理与数学模型，应用分离变量法进行了分析求解；依照圆柱理论，采用当量管径法对单U埋地换热器非稳态传热进行了MATLAB数值求解，并通过实验验证了模拟结果；系统的分析回填材料、钻孔直径、土壤热物性等参数对传热效果的影响。在满足制冷剂流动换热以及控制压降损耗的前提下，提出了单U埋地换热器管长计算方法；建立了制冷剂回油模型，计算出制冷剂最小回油速度；考虑直接膨胀式地源热泵系统性能与单U埋地换热器的初投资与安装费用的基础上，编制了单U埋地换热器的优化设计程序。针对直接膨胀式地源热泵系统运行中存在的回油以及制冷剂储液问题，提出了相应的控制策略与方法。 依托国家十一五科技支撑计划“村镇低品位能源利用关键技术研究”(2006BAJ04A13)，设计并建立了制冷量为5kW以R134a为工质的直接膨胀式地源热泵示范项目，对提出的理论和方法进行了验证；在此基础上进行了机组的实际运行和测试研究，积累不同运行工况下直接膨胀式地源热泵系统的运行数据，证明了直接膨胀式地源热泵系统性能优势，为我国发展直接膨胀式地源热泵技术的前景进行了有益的探索。 通过示范项目的设计与建设，总结了直接膨胀式地源热泵系统的设计流程与施工安装技术，为直接膨胀式地源热泵技术设计与施工方法提供借鉴。总结示范工程的实际运行情况，讨论了设计工况的确定。一般来讲：夏季单U埋地换热器的设计出口温度一般为土壤温度(全年平均空气温度)加上5~8oC，冷凝温度为土壤温度加上11~13oC；蒸发温度按美国空调制冷协会(AHRI)规定的用于热泵压缩机的空气源热泵的夏季名义工况的蒸发温度7.2oC来取。 通过示范项目中直接膨胀式地源热泵与传统第二环路地源热泵的实际运行比较，得到：在夏季制冷运行工况下，直接膨胀式地源热泵的冷凝(蒸发)温度比对应的传统地源热泵系统要低(高)；其系统性能系数为6.03，高于传统系统5.64性能系数，实际运行表明直接膨胀式地源热泵系统性能系数要比传统系统高23.8%；直接膨胀式地源热泵的平均输入功率为1.39kWh，低于传统系统的平均输入功率1.715kWh；使用浅埋深敷设单U埋地换热器，控制制冷剂的最小回油速度，压缩机能毫无困难的吸气回油；采用年费用比较法(AC)和现值比较法(PW)对直接膨胀式地源热泵系统和传统第二环路地源热泵系统进行经济比较，直接膨胀式地源热泵系统均优于传统系统。在适宜使用的场所，直接膨胀式地源热泵系统是传统第二环路地源热泵系统更优的替代方案。