改善地源热泵地埋管换热性能及纵向局部热堆积的方法与流程

本发明涉及地源热泵领域，尤其涉及一种改善地源热泵地埋管换热性能及纵向局部热堆积的方法。

背景技术

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源形成的既可供热又可制冷的高效节能环保的空调系统，但是由于地源热泵系统的初投资较高，而地源热泵的利用率较低，制约和影响着地源热泵技术的推广和发展的原因很多，其中地埋管换热性不佳是影响整个系统的主要原因。地埋管换热器的换热性能受到很多因素的影响，主要有土壤的热物性、埋管深度、埋管管材的导热系数等。准确合理的设计对整个地源热泵系统运行及初投资十分重要。

目前，在地源热泵系统模拟设计时，为了简化处理，假设在恒温层土壤的热物性为常数，且各点处均相同。实际上，由于在土壤不同深度，土质结构和类型不同，导致在纵向方向上土壤的热物性具有一定的差异，若忽略了土壤在纵向方向上热物性的变化，会造成模拟设计分析与实际情况相差甚远，甚至导致地埋管换热器局部失效。

目前地埋管管材常采用塑料管，这类管材的优点在于价格低廉、易获取、耐腐蚀性强，但由于其导热系数较小，在一定程度上限制了地埋管的换热效率，对整个地源热泵系统运行不利。现有针对地源热泵管材所存在的问题，常采用的方法是在该塑料管的制造中掺入一定比例导热性能较好的材料，此类复合型管材成本较高，不利于地源热泵推广使用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种改善地源热泵地埋管换热性能及纵向局部热堆积的方法，通过在塑料管外缠绕价格低廉且导热系数大的金属丝来提高整个地埋管的导热系数,改善地源热泵地埋管导热性能，通过ansys软件分析各层土壤的热物性参数，计算金属丝缠绕的方法，通过在地埋管上缠绕不同疏密的金属丝来改善地埋管纵向局部热堆积问题。

本发明提供的一种改善地源热泵地埋管换热性能及纵向局部热堆积的方法，通过在地埋管外周部缠绕金属丝来提高地埋管的导热系数，从而提高地源热泵的换热性能，具体步骤包括:

步骤1：提取埋管区不同深度的土壤，检测分析土壤的热物性参数，记录土壤深度值和对应深度的土壤的热物性参数值；

步骤2：根据土壤分层原则将埋管区的土壤分层，计算并记录分层后的土壤深度值hn和对应深度的土壤的热物性参数值；

步骤3：选择外径为d的金属丝,分别测试得出在第n层土壤模型对应的热物性参数值条件下，塑料管的导热系数λ1n，金属丝的导热系数λ2n，利用ansys软件分别建立分层后埋管区每层土壤的研究模型，将每层土壤深度值和对应深度的土壤的热物性参数值带入模型，模拟确定在理想条件下第n层土壤模型中经金属丝缠绕后的地埋管的等效导热系数值λbn；

步骤4：计算第n层土壤中，缠绕地埋管所需金属丝的长度ln；

步骤5：计算第n层土壤中，缠绕在地埋管上的金属丝之间的间距sn和地埋管上缠绕金属丝的圈数xn；

步骤6：按照步骤4中的金属丝的长度ln、步骤5中金属丝之间的间距sn和缠绕金属丝的圈数xn来设置绕线参数，进行绕线。

进一步，所述步骤1通过以下方法得出：确定埋管区的深度值，在埋管区钻不同深度的孔，提取并分析不同深度土壤的热物性参数，热物性参数包括：土壤的热扩散率、土壤的导热系数和土壤的体积比热。

进一步，所述土壤分层原则为：将钻孔提取到的相邻深度的土壤的热物性参数进行差值比较，若差值大于阈值，则认为相邻深度的土壤属于不同土壤层，若差值小于阈值，则认为相邻深度的土壤属于同一层土壤。

进一步，所述地埋管为塑料管。

进一步，步骤4中包括如下具体步骤：

步骤41：建立比例因子υ1的计算公式，υ1＝v1/vn(1),v1为塑料管的体积，vn为经金属丝缠绕后复合塑料管的体积；

步骤42：根据金属丝的体积公式并联立公式(1)得出金属丝的长度ln：其中，d外为塑料管的外径，d内为塑料管的内径,d为金属丝的外径，hn为土壤模型的深度。

进一步，所述步骤5中包括如下具体步骤：

步骤51：计算第n层土壤模型中金属丝之间缠绕的间距sn,具体公式为：

步骤52：计算第n层土壤深度中金属丝缠绕的圈数xn,具体公式为：其中xn需取整，即：

步骤53：建立复合型等效导热系数公式为：(3)，其中λbn为经金属丝缠绕后的塑料管的导热系数值；

步骤54：由(3)式求得比例因子υ1：

步骤55：联立式(2)、式(3)和式(5)可求得sn的值，联立式(6)、式(5)、式(2)和式(3)可求得xn的值。

进一步，所述金属丝表面需喷涂石墨涂料。

本发明的有益效果：本发明提供的改善地源热泵地埋管换热性能及纵向局部热堆积的方法，依靠在普通塑料管外缠绕价格低廉且导热系数较大的金属丝的方法来提高塑料管的导热性，由于不需要制作特别的导热材料，使地源热泵系统的制造更加简单，通过对埋管区的土壤热物性参数进行分析，将埋管区土壤进行合理分层，可避免因忽略土壤纵向方向的热物性差异将整个埋管区的土壤按照同一热物性参数建立土壤模型而出现设计不合理的情况发生，从而避免设计出的地源热泵系统出现换热性能不理想的情况发生，利用ansys软件建立每层土壤的分析模型，计算每层土壤模型中复合型地埋管的导热系数，进而计算出每层土壤模型中所需金属丝的长度和金属丝之间的间距，按照所得金属丝之间的间距，将金属丝绕至地埋管上得到导热性能最佳的复合型地埋管，以实际土壤热物性参数为数据基础，通过软件分析得出金属丝绕制时的精确数据，使地源热泵系统设计更为合理，由于金属丝缠绕较多时，在同等负荷条件下，可以减少地埋管管数，因此，可减少地埋管钻孔深度，减少初投资的成本，同时，金属丝在不同层土壤内缠绕塑料管的疏密不同，可解决在模拟设计时由于忽略土壤分层导致的地埋管局部失效的问题，因此，在地埋管外缠绕金属丝来改善地埋管的导热性能的方法可广泛适用于土壤源地源热泵系统，此方法简单有效，具有很强的推广性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的实际埋管区土壤分层中的地埋管的模拟示意图；

图2为本发明的单层土壤模型中的地埋管的模拟示意图；

图3为本发明的金属丝绕线效果图；

图4为本发明的流程图。

图中：1：地埋管；2：回填材料；3：土壤；4:金属丝。

具体实施方式

图1为本发明的地埋管模拟模型示意图，图2为本发明的地埋管结构示意图，图3为本发明的地埋管外缠金属丝示意图。本发明以竖直单u型地埋管换热器为例对本发明提供的方案做详细描述，由于竖直u形管对称，为了减少计算量，在计算时，只计算一半。本发明分别模拟不同土壤层的导热系数条件下，在理想状态下的地埋管等效导热系数，其中进口流体温度、进口流速、土壤初始温度、运行时间等参数不变。本发明提供的改善地源热泵地埋管换热性能及纵向局部热堆积的方法，通过在地埋管外周部缠绕金属丝来提高地埋管的导热系数，从而提高地源热泵的换热性能，具体步骤包括:

步骤1：提取埋管区不同深度的土壤，检测分析土壤的热物性参数，记录土壤深度值和对应深度的土壤的热物性参数值；

步骤2：根据土壤分层原则将埋管区的土壤分层，计算并记录分层后的土壤深度值hn和对应深度的土壤的热物性参数值；

步骤3：选择外径为d的金属丝,通过模拟第n层土壤模型对应的热物性参数的环境，分别测试得出塑料管的导热系数λ1n和金属丝的导热系数λ2n，利用ansys软件分别建立分层后埋管区每层土壤的研究模型，将每层土壤深度值和对应深度的土壤的热物性参数值带入模型，模拟确定在理想条件下第n层土壤模型中经金属丝缠绕后的地埋管的等效导热系数值λbn；

步骤4：计算第n层土壤中，缠绕地埋管所需金属丝的长度ln；

步骤5：计算第n层土壤中，缠绕在地埋管上的金属丝之间的间距sn和地埋管上缠绕金属丝的圈数xn；

步骤6：按照步骤4中的金属丝的长度ln、步骤5中金属丝之间的间距sn和缠绕金属丝的圈数xn来设置绕线参数，进行绕线。通过上述方法，能够对埋管区的土壤进行纵向合理分层，解决了土壤在纵向方向上存在的热物性变化对土壤模型分析的正确性造成的影响，避免因模拟设计分析与实际情况不符，导致地源热泵达不到预期效果，造成能源浪费，由于本发明采用的是在地埋管外缠绕价格低廉的金属丝的方法来提高地埋管的导热系数，金属丝的绕线方式是可以进行调整的，而且材料是可以回收再利用，因此，经济性能更高，可行性更强。

本实施例中步骤1通过以下方法得出：确定埋管区的深度值，在埋管区钻不同深度的孔，提取并分析不同深度土壤的热物性参数，热物性参数包括：土壤的热扩散率、土壤的导热系数和土壤的体积比热。通过提取不同深度的土壤分析土壤的热物性参数，可以分析得出土壤纵向的热物性变化规律，为建立土壤模型提供良好的数据支持，在实际环境数据的基础上进行理论分析，使理论分析的结果更加准确，使土壤模型得出的结果更加合理

本实施例中的土壤分层原则为：将钻孔提取到的相邻深度的土壤的热物性参数进行差值比较，若差值大于阈值，则认为相邻深度的土壤属于不同土壤层，若差值小于阈值，则认为相邻深度的土壤属于同一层土壤。本实施例中，地埋管埋设起始段深度20m以内的为变温层，假设变温层为第1层，该层土壤导热系数较小，温度受环境温度影响较大，能效系数很小，不具有工程意义上的价值，本发明中不考虑在第1层缠绕金属丝。现以土壤的导热系数为例进一步举例说明，假设相邻土壤深度分别为h1、h2、h3、h4，h4＞h3＞h2＞h1，对应的土壤导热系数分别为a1、a2、a3、a4，阈值为b，若|a2-a1|＝b，则将土壤分为第1层和第2层，对应土壤深度为h1和h2；若|a3-a2|＜b，则表明深度为h2和深度为h3的土壤为同一层土壤，都属于第2层，那么第2层土壤的深度为h3；若|a4-a3|＞b，则表明深度为h4和深度为h3的土壤为不同层土壤，再钻取深度h4n，h3＜h4n＜h4，分析对应深度的土壤导热系数a4n，直到|a4n-a3|＝b为止，则表明深度为h4n的土壤属于第3层，那么第3层土壤的深度为h4n。本实施例中的地埋管为塑料管，由于外界环境的化学物质容易渗透进土壤，对地埋管产生一定的影响，由于塑料管具有耐腐蚀性和性能稳定等特点，采用塑料管作为地埋管，能避免地源热泵系统不受外界环境的影响，同时，塑料管价格低廉，可以有效的控制整个地源热泵系统的成本。

本实施例中，为了简化ansys软件的分析步骤，使分析结果更加准确，故将每层土壤分别建立土壤模型进行分析。

本实施例中，步骤3中的理想条件是指地源热泵系统需要达到的换热标准值条件下，根据行业标准获得。塑料管的导热系数λ1n，金属丝的的导热系数λ2n可通过模拟土壤模型的热物性参数测得。

本实施例中，步骤3的金属丝的直径是通过实验确定的，如，以铝丝为例，通过购置6种不同规格的铝丝，分别在塑料管外缠绕，所述6种不同规格的直径分别为0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm，实验中4mm、5mm、6mm的铝丝直径越大越不易弯曲，0.5mm、1mm直径的铝丝在缠绕过程中易折断。优选的，本发明宜采用2～3mm直径的金属丝。

本实施例中的步骤4通过以下步骤获得：

步骤41：建立比例因子υ1的计算公式，υ1＝v1/vn(1),v1为塑料管的体积，在所有分层土壤模型中使用的塑料管始终相同，vn为经金属丝缠绕后复合塑料管的体积,其中，其中d外为塑料管的外径，d内为塑料管的内径,d为金属丝的外径,hn为第n层土壤层的深度；ln为金属丝的长度；

步骤42：联立式(1)、式(7)和式(8),得出金属丝的长度ln，利用现有的技术设立的比例因子的公式，得出金属丝的长度ln，使金属丝的选择更加准确。

本实施例中的步骤5通过以下步骤获得：

步骤51：根据现有的螺旋线的计算方法可计算出第n层土壤模型中金属丝之间缠绕的间距sn,具体公式为

步骤52：将缠绕的每一圈金属丝看成一个整体，即可等效为一个节点，金属丝的缠绕圈数xn等效为节点数量，根据现有的数学公式，可计算得出第n层土壤深度中金属丝缠绕的圈数xn,具体公式为：其中xn需取整，即：

步骤53：建立复合型等效导热系数公式为：(3)，其中λbn为经金属丝缠绕后的塑料管的导热系数值；

步骤54：由(3)式求得比例因子υ1：

步骤55：联立式(2)、式(3)和式(5)可求得sn的值，联立式(6)、式(5)、式(2)和式(3)可求得xn的值。

通过以上方法获得了在不同土壤层金属丝缠绕的方法，由于金属丝在不同土壤层内缠绕塑料管的疏密不同，可解决了在模拟设计时由于忽略土壤分层导致的地埋管局部失效问题，使地源热泵系统的设计更加合理。

本实施例中的金属丝表面需喷涂石墨涂料，可采用热喷方式进行加工完成，可避免金属丝被酸、碱或有机溶剂腐蚀或氧化，保证复合型地埋管的导热性，延长其使用寿命，使地源热泵系统换热性能更稳定。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。