【摘 要】
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土壤源热泵是利用地热能对目标建筑进行制冷供暖的高效节能环保型空调,其中土壤源热泵系统由于不消耗地下水源、换热性能良好、节约用地,在我国得到了广泛的应用。土壤源热泵的利用成为了应对全球能源危机、气候变暖、发展低碳经济的重要途径。土壤源热泵机组设计的关键技术是地下换热器,钻孔回填材料和埋管循环流速都是关键设计因素。高导热性能的回填材料可以降低换热孔内的热阻,减少地下换热孔深度和换热管长度,而科学合理的
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土壤源热泵是利用地热能对目标建筑进行制冷供暖的高效节能环保型空调,其中土壤源热泵系统由于不消耗地下水源、换热性能良好、节约用地,在我国得到了广泛的应用。土壤源热泵的利用成为了应对全球能源危机、气候变暖、发展低碳经济的重要途径。土壤源热泵机组设计的关键技术是地下换热器,钻孔回填材料和埋管循环流速都是关键设计因素。高导热性能的回填材料可以降低换热孔内的热阻,减少地下换热孔深度和换热管长度,而科学合理的埋管循环流速可以减少水泵能耗,从而减少地源热泵的初投资和运行成本。本文采用Energy Plus模拟软件,以肥城市购物商场为例,建立土壤源热泵系统模型,通过改变地下换热器的设计参数,包括钻孔回填材料和埋管流速这两个关键因素,为土壤源热泵的设计提供现实意义的参考。根据模拟数据结果得到以下结论:（1）埋管流速在0.3m/s、0.6m/s和1.2m/s下,系统运行15d趋于稳定,出口温度分别稳定在301.6K、306.4K和309.1K,进出口温差稳定在9.3K、4K、2.5K,单位井深换热量稳定在51.9W/m、60W/m和62W/m。埋管流速从0.3m/s增加到0.6m/s,出口温度增加4.8K,提高了1.6%,进出口温差增加了5.3K,提高了56.9%,但单位井深换热量增加了8.1W/m,增加了15.6%;但从0.6m/s增加到1.2m/s,出口温度仅增加了2.7K,增加了0.88%,进出口温差仅增加了1.5K,增加了37.5%,单位井深换热量仅增加了2W/m,增加了3.4%,单位井深换热量基本不变。埋管流速越小,流体介质在管内的换热时间越长,换热越充分,出口温度越高;随着埋管流速的增大,换热量减小,管内循环介质进出口温差减小,地下换热器的换热量随着埋管流速的增大而增加,差值随着埋管流速的增大而减小。但埋管流速越大,水泵能耗和管道阻力增大,最终扬程会变大。（2）回填材料为原土回填材料、膨润土基回填材料和水泥基回填材料,系统运行稳定后,出口温度稳定在308.4K、306.2K和300.8K,进出口温差稳定在2.2K、4.3K、和9.7K,单位井深换热量稳定在39.3W/m、53.2W/m和62.6W/m。回填材料从原土回填材料换为膨润土基回填材料地下换热器出口温度降低了2.2K,降低了0.7%,进出口温差增加了2.1K,增加了95.4%,单位井深换热量增加了13.9W/m,增加了35.3%;从膨润土基回填材料换为水泥基回填材料地下换热器出口温度降低了5.4K,降低了1.8%,进出口温差增加了5.4K,增加了125.5%,单位井深换热量增加了9.4W/m,增加了17.7%。回填材料导热系数越高,地下换热器与周围岩土层的换热效率高,埋管出口温度越低,埋管进出口温差越小,地下换热器出口温度趋于稳定的时间越长,单位井深换热量越高,趋于稳定的时间越短。（3）不同钻孔回填材料下钻孔深度也会发生变化,钻孔回填材料导热系数越高,热传导性能越高,钻孔深度越小。在满足系统设计换热量的前提下,单个钻孔和U型管的工程造价在经济效益上发了较大的变化:膨润土基回填材料相比原土回填材料单个换热孔的费用降低了30.0%,水泥基回填材料相比原土回填材料单个换热孔的费用降低了43.3%,水泥基回填材料相比膨润土基回填材料单个换热孔的费用降低了19.0%。在综合考虑埋管流速和钻孔回填材料经济适用性评价,管材和钻孔初投资最低的基础上,选择0.6m/s的埋管流速和水泥基回填材料作为该项工程实例土壤源热泵的最优埋管流速和回填材料设计参数。
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