地源熱泵系統各參數換熱性能敏感性分析

楊愛明 楊 水 向青青

(1.寧波大學建筑設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000； 2.寧波東源節能科技有限公司，浙江 寧波 315000)

地源熱泵系統各參數換熱性能敏感性分析

楊愛明1楊 水2向青青1

(1.寧波大學建筑設計研究院有限公司，浙江 寧波 315000； 2.寧波東源節能科技有限公司，浙江 寧波 315000)

采用敏感性分析法，探討了鉆孔間距、回填材料導熱系數、豎直管管內流速三因素對地埋管換熱器換熱性能的相對影響程度，并給出了各因素的合理取值，為類似問題的研究奠定了基礎。

地埋管換熱器，鉆孔間距，回填材料，導熱系數，敏感性分析法

0 引言

影響地埋管換熱器傳熱性能的主要因素有鉆孔間距、回填材料導熱系數、豎直管管內水流速、土壤導熱系數、埋管進口溫度、鉆孔深度等因素。當項目確定后，土壤導熱系數、鉆孔深度、埋管進口溫度可以作為固定值，而鉆孔間距、回填材料導熱系數、豎直管內水流速三個參數則是可變的，直接與設計有關。因此，該三參數的設計取值直接關系到地埋管換熱器的性能，本文將采用敏感性分析方法，對該三參數變化對地埋管換熱器性能的影響進行定量分析。

敏感性分析法是指從眾多不確定性因素中找出對評價指標有重要影響的敏感性因素，并分析、測算其對評價指標的影響程度和敏感性程度，進而判斷各不確定因素合理取值范圍的一種動態不確定性分析方法。

1 初始條件設定

根據GB 50366—2005(2009版)地源熱泵系統工程技術規范附錄B推薦的計算公式采用計算軟件進行計算，并將豎直地埋管夏季單位延米換熱量作為換熱器換熱性能評價指標。

地埋管運行時間取值30 d，每天運行8 h，土壤初始溫度及土壤綜合導熱系數取寧波市不同區域各測試點的平均值，具體設定參數為：夏季運行份額0.33，制冷地埋管中傳熱介質平均溫度32.5 ℃，制熱地埋管中傳熱介質平均溫度7.5 ℃，U型管內徑0.025 6 m，U型管外徑0.032 m，運行時間3 240 000 s，短期脈沖負荷連續運行時間28 800 s，鉆孔直徑0.15 m，巖土體初始平均溫度19.4 ℃，土壤綜合導熱系數1.67 W/(m·K)。

2 敏感性分析

敏感度系數是評價指標變化的百分率與不確定因素變化的百分率之比。敏感度系數高，表示評價指標對該不確定因素敏感程度高，應重視該不確定因素對評價指標的影響。敏感度系數計算公式如下：

E=ΔA/ΔF。

其中，E為評價指標A對于不確定因素F的敏感度系數；ΔA為不確定因素F發生變化時，評價指標A的相應變化率，%；ΔF為不確定因素F的變化率，%。E較大者敏感度系數高。其數值大小并不是計算該指標的目的，重要的是各不確定因素敏感度系數的相對值，由此判斷各不確定因素的相對影響程度，以選出敏感度較大的不確定因素。

2.1 單位延米換熱量對埋管間距的敏感性分析

分析埋管間距對地埋管換熱器換熱性能影響時，設定灌漿材料導熱系數為1.9 W/(m·K)，豎直埋管水流速度為0.6 m/s。根據計算結果，繪制埋管間距與單位延米換熱量敏感度系數曲線(見圖1)。

顯然，在埋管間距為4 m時，敏感度系數最大，為0.3，其后敏感度系數快速減小至0.04，表明在埋管間距4 m后，再繼續增加埋管間距對地埋管換熱器換熱性能影響很小。

2.2 單位延米換熱量對灌漿回填料導熱系數的敏感性分析

分析灌漿回填料導熱系數對地埋管換熱器換熱性能影響時，設定埋管間距為4 m，豎直埋管水流速度為0.6 m/s。根據計算結果，繪制灌漿回填料導熱系數與單位延米換熱量敏感度系數曲線(見圖2)。

顯然，隨著灌漿回填料導熱系數的增大，敏感度系數呈現逐漸減小趨勢，但相對較為平穩。由于灌漿回填料的導熱系數應大于土壤綜合導熱系數，在寧波地區取值在1.7～2之間是比較合理的。

2.3 單位延米換熱量對豎直管管內流速的敏感性分析

在分析豎直管管內流速對地埋管換熱器換熱性能影響時，設定埋管間距為4 m，回填灌漿材料導熱系數為1.9 W/(m·K)。

根據計算結果，繪制豎直管管內流速與單位延米換熱量敏感度系數曲線(見圖3)。

顯然，隨著豎直管管內流速的增大，敏感度系數除在0.3 m/s相對較大外，其余均恒定為0.015或0，也就是說地埋管換熱器換熱性能對管內流速的敏感性很低，這是由于管內流速僅與傳熱介質與U形管的對流換熱熱阻有關，而對流換熱熱阻占系統總熱阻的比例很小所引起的。但是，由于流速的增加會直接導致地埋管系統阻力的增加，從而使系統能耗的增大，考慮到當管內流速為0.3 m/s時，水流已經呈紊流狀態，因此，在室外埋管換熱器設計時，管內流速選用0.3 m/s是經濟合理的。

2.4 單位延米換熱量對各參數的敏感性分析比較

根據圖1～圖3可見，單位延米換熱量對埋管間距的敏感度系數從0到0.3，平均值為0.096，單位延米換熱量對灌漿回填材料導熱系數的敏感度系數從0.19到0.33，平均值為0.27，單位延米換熱量對豎直管管內流速的敏感度系數從0到0.029 5，平均值為0.012。顯然，灌漿回填材料導熱系數對地埋管換熱器換熱性能的影響最大，埋管間距的影響次之，豎直管管內流速對其影響最小。

3 結語

根據以上分析，得出以下結論：

1)在埋管間距、灌漿回填材料導熱系數及豎直管管內流速三個不確定因素中，對地埋管換熱器換熱性能的影響大小依次為：灌漿回填材料導熱系數>埋管間距>豎直管管內流速；

2)在室外埋管場地許可的情況下，豎直地埋管換熱器埋管間距取4 m比較合適，繼續增加埋管間距對地埋管換熱器換熱性能影響較小；

3)灌漿回填材料導熱系數對地埋管換熱器換熱性能影響很大，其選擇應大于項目所在地土壤綜合導熱系數；

4)豎直管管內流速對地埋管換熱器換熱性能影響很小，在室外埋管換熱器設計時，管內流速選用0.3 m/s是經濟合理的。

[1] GB 50366—2005，地源熱泵系統工程技術規范(2009年版)[S].

[2] 徐 偉.地源熱泵工程技術指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[3] 楊強生，浦保榮.高等傳熱學[M].第2版.上海：上海交通大學出版社，2004.

The sensitivity analysis of heat transfer performance of each parameter of ground source heat pump system

Yang Aiming1Yang Shui2Xiang Qingqing1

(1.ArchitecturalDesignInstituteLimitedCompany,NingboUniversity,Ningbo315000,China;2.NingboDongyuanEnergySavingTechnologyLimitedCompany,Ningbo315000,China)

Using the sensitivity analysis method, this paper discussed the relation influence of borehole spacing, thermal conductivity of backfill material, vertical pipe flow rate three factors to the heat exchanger performance of ground heat exchanger, and gave the reasonable value of each factor, laid foundation for the research on similar problems.

ground heat exchanger, borehole spacing, backfill material, thermal conductivity, sensitivity analysis method

1009-6825(2017)05-0156-02

2016-12-10

楊愛明(1971- )，男，碩士，高級工程師

TU832.2

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