地源热泵系统各参数换热性能敏感性分析

杨爱明 杨 水 向青青

(1.宁波大学建筑设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000； 2.宁波东源节能科技有限公司，浙江 宁波 315000)

地源热泵系统各参数换热性能敏感性分析

杨爱明1杨 水2向青青1

(1.宁波大学建筑设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000； 2.宁波东源节能科技有限公司，浙江 宁波 315000)

采用敏感性分析法，探讨了钻孔间距、回填材料导热系数、竖直管管内流速三因素对地埋管换热器换热性能的相对影响程度，并给出了各因素的合理取值，为类似问题的研究奠定了基础。

地埋管换热器，钻孔间距，回填材料，导热系数，敏感性分析法

0 引言

影响地埋管换热器传热性能的主要因素有钻孔间距、回填材料导热系数、竖直管管内水流速、土壤导热系数、埋管进口温度、钻孔深度等因素。当项目确定后，土壤导热系数、钻孔深度、埋管进口温度可以作为固定值，而钻孔间距、回填材料导热系数、竖直管内水流速三个参数则是可变的，直接与设计有关。因此，该三参数的设计取值直接关系到地埋管换热器的性能，本文将采用敏感性分析方法，对该三参数变化对地埋管换热器性能的影响进行定量分析。

敏感性分析法是指从众多不确定性因素中找出对评价指标有重要影响的敏感性因素，并分析、测算其对评价指标的影响程度和敏感性程度，进而判断各不确定因素合理取值范围的一种动态不确定性分析方法。

1 初始条件设定

根据GB 50366—2005(2009版)地源热泵系统工程技术规范附录B推荐的计算公式采用计算软件进行计算，并将竖直地埋管夏季单位延米换热量作为换热器换热性能评价指标。

地埋管运行时间取值30 d，每天运行8 h，土壤初始温度及土壤综合导热系数取宁波市不同区域各测试点的平均值，具体设定参数为：夏季运行份额0.33，制冷地埋管中传热介质平均温度32.5 ℃，制热地埋管中传热介质平均温度7.5 ℃，U型管内径0.025 6 m，U型管外径0.032 m，运行时间3 240 000 s，短期脉冲负荷连续运行时间28 800 s，钻孔直径0.15 m，岩土体初始平均温度19.4 ℃，土壤综合导热系数1.67 W/(m·K)。

2 敏感性分析

敏感度系数是评价指标变化的百分率与不确定因素变化的百分率之比。敏感度系数高，表示评价指标对该不确定因素敏感程度高，应重视该不确定因素对评价指标的影响。敏感度系数计算公式如下：

E=ΔA/ΔF。

其中，E为评价指标A对于不确定因素F的敏感度系数；ΔA为不确定因素F发生变化时，评价指标A的相应变化率，%；ΔF为不确定因素F的变化率，%。E较大者敏感度系数高。其数值大小并不是计算该指标的目的，重要的是各不确定因素敏感度系数的相对值，由此判断各不确定因素的相对影响程度，以选出敏感度较大的不确定因素。

2.1 单位延米换热量对埋管间距的敏感性分析

分析埋管间距对地埋管换热器换热性能影响时，设定灌浆材料导热系数为1.9 W/(m·K)，竖直埋管水流速度为0.6 m/s。根据计算结果，绘制埋管间距与单位延米换热量敏感度系数曲线(见图1)。

显然，在埋管间距为4 m时，敏感度系数最大，为0.3，其后敏感度系数快速减小至0.04，表明在埋管间距4 m后，再继续增加埋管间距对地埋管换热器换热性能影响很小。

2.2 单位延米换热量对灌浆回填料导热系数的敏感性分析

分析灌浆回填料导热系数对地埋管换热器换热性能影响时，设定埋管间距为4 m，竖直埋管水流速度为0.6 m/s。根据计算结果，绘制灌浆回填料导热系数与单位延米换热量敏感度系数曲线(见图2)。

显然，随着灌浆回填料导热系数的增大，敏感度系数呈现逐渐减小趋势，但相对较为平稳。由于灌浆回填料的导热系数应大于土壤综合导热系数，在宁波地区取值在1.7～2之间是比较合理的。

2.3 单位延米换热量对竖直管管内流速的敏感性分析

在分析竖直管管内流速对地埋管换热器换热性能影响时，设定埋管间距为4 m，回填灌浆材料导热系数为1.9 W/(m·K)。

根据计算结果，绘制竖直管管内流速与单位延米换热量敏感度系数曲线(见图3)。

显然，随着竖直管管内流速的增大，敏感度系数除在0.3 m/s相对较大外，其余均恒定为0.015或0，也就是说地埋管换热器换热性能对管内流速的敏感性很低，这是由于管内流速仅与传热介质与U形管的对流换热热阻有关，而对流换热热阻占系统总热阻的比例很小所引起的。但是，由于流速的增加会直接导致地埋管系统阻力的增加，从而使系统能耗的增大，考虑到当管内流速为0.3 m/s时，水流已经呈紊流状态，因此，在室外埋管换热器设计时，管内流速选用0.3 m/s是经济合理的。

2.4 单位延米换热量对各参数的敏感性分析比较

根据图1～图3可见，单位延米换热量对埋管间距的敏感度系数从0到0.3，平均值为0.096，单位延米换热量对灌浆回填材料导热系数的敏感度系数从0.19到0.33，平均值为0.27，单位延米换热量对竖直管管内流速的敏感度系数从0到0.029 5，平均值为0.012。显然，灌浆回填材料导热系数对地埋管换热器换热性能的影响最大，埋管间距的影响次之，竖直管管内流速对其影响最小。

3 结语

根据以上分析，得出以下结论：

1)在埋管间距、灌浆回填材料导热系数及竖直管管内流速三个不确定因素中，对地埋管换热器换热性能的影响大小依次为：灌浆回填材料导热系数>埋管间距>竖直管管内流速；

2)在室外埋管场地许可的情况下，竖直地埋管换热器埋管间距取4 m比较合适，继续增加埋管间距对地埋管换热器换热性能影响较小；

3)灌浆回填材料导热系数对地埋管换热器换热性能影响很大，其选择应大于项目所在地土壤综合导热系数；

4)竖直管管内流速对地埋管换热器换热性能影响很小，在室外埋管换热器设计时，管内流速选用0.3 m/s是经济合理的。

[1] GB 50366—2005，地源热泵系统工程技术规范(2009年版)[S].

[2] 徐 伟.地源热泵工程技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[3] 杨强生，浦保荣.高等传热学[M].第2版.上海：上海交通大学出版社，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

杨爱明(1971- )，男，硕士，高级工程师

TU832.2

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