地源热泵系统工程技术规范设计要点解析

地源热泵系统工程技术规范设计要点解析内容摘要：

，以提高分析的可靠性。 岩土体热物性测试装置如图 1所示：岩土体热物性测试要求测试时间为 36～ 48h，供热量应为 50～ 80W/m，流量应满足供回水温差 11～ 22℃的需要，被测竖直埋管安装完成后，根据导热系数不同，需要 3～ 5d的等待期，此外对测量精度等也有具体要求。 【 1】 目前测试设备有两种，一种是小型便携式，一种是大型车载系统，后者可以提供较大能量加热系统，最新设备还可以提供冷冻水测试冬季运行工况，具有更好精度及可靠性。  竖直埋管地下传热计算 地下传热模型 基本是建立在 线源理论 或柱源理论基础上。 1954年 Ingersoll 和 Zobel提出将柱源传热方程作为计算埋管换热器的合适方法， 1985年 Kavanaugh 考虑 U型排列和逐时热流变化对该方法进行了改进。 实际工程设计中很少使用这种乏味的计算， 20世纪 80年代人们更倾向于根 据经验进行设计。 80年代末，瑞典开发出一套计算结果可靠且使用简单的软件，其数值模型采用的是 Eskilson（ 1987）提出的方法，该方法结合解析与数值模拟技术，确定钻孔周围的温度分布，在一定初始及边界条件下，对同一土质内单一钻孔建立瞬时有限差分方程，进行二维数值计算获得单孔周围的温度分布。 通过对单孔温度场的附加，得到整个埋管区域相应的温度情况。 为便于计算，将埋管区域的温度响应转换成一系列无因次温度响应系数，这些系数被称为 gfunctions。 通过gfunctions可以计算一个时间步长的阶梯热输入引起的 埋管温度的变化，有了 gfunctions，任意释热源或吸热源影响都可转化成一系列阶梯热脉冲进行计算。 1999年 Yavuzturk和 Spitler对 Eskilson的 gfunctions进行了改进，使该方法适用于短时间热脉冲。 1984年 Kavanaugh使用圆柱形源项处理，利用稳态方法和有效热阻方法近似模拟逐时吸热与释热变化过程。 《规范》中附录 B，采用类似方法，给出了 竖直地埋管换热器的设计计算 方法，供设计选用。  水平埋管由于占地问题，大多城市住宅或公建均很难采用。 由于应用较少，国内外对其换热机理研究也很 少，目前主要是根据经验数值进行估算。 2020年 ASHRAE手册给出了一些推荐数据，供设计选用。 主流地埋管设计软件基本上均包括水平埋管的计算。 图 1 岩土体热物性测试装置 5 设计软件 通常地埋管设计计算是由软件完成的。 一方面是因为地下换热过程的复杂性，为尽可能节约埋管费用，需要对埋管数量作准确计算；另一方面地埋管设计需要预测随建筑负荷的变化埋管换热器逐时热响应情况及岩土体长期温度变换情况。 加拿大国家标准（ CAN/）中对地埋管系统设计软件明确提出了以下要求： 1 能计算或输入建筑物全年动态负荷 ； 2 能计算当地岩土 体平均温度及地表温度波幅 ； 3 能模拟岩土体与换热管间的热传递及岩土体长期储热效果 ； 4 能计算岩土体、 传热介 质及换热管的热物性 ； 5 能对所设计 系统的地埋管 换热 器 的 结构 进行模拟， （ 如钻孔直径、 换热 器 类型 、灌 浆 情况 等 ）。 为此，《规范》中规定“地埋管设计 宜采用专用软件进行。 ” 判断软件复杂程度的标准有两个：一是在满足埋管换热器设计要求的前提下，用户输入最少，计算时间最短；二是要求能模拟预测随建筑负荷变化，埋管换热器逐时热响应情况。 目前，在国际上比较认可的有建立在 gfunctions算法基础上瑞典隆德 Lund大学 开发的 EED程序，美国威斯康星 WisconsinMadison大学 Solar Energy 实验室（ SEL）开发的 TRNSYS程序，美国俄克拉荷马州 Oklahoma大学开发的 GLHEPRO程序。 此外还有加拿大 NRC开发的 GS2020，以及建立在利用稳态方法和有效热阻方法近似模拟基础上的软件 GchpCalc等。 地下水系统 地下水系统是目前地源热泵系统应用最广的一种形式，据不完全统计目前国内地下水项目已近 300 个。 对于较大系统，地下水系统的投资远低于地埋管系统，这也是该系统得以广泛应用的主要原因。 （ 1） 热源井设计必须保证持续出水量需求及长期可靠回灌 不得对地下水资源造成浪费和污染，是地下水系统应用的前提。 地下水属于一种地。