新型高效地源热泵换热系统研究

构理论，空间锥形盘管管束的振动主要表现为轴向振 动；锥度、截面直径等参数对其振动特性的影响较大。 这是U形管无法做到的，因此，本文采用盘管管道设计方 案，使其通过横向流动换热合理应用部分有益的振动以 提高传热效果。
该换热器内换热体和外换热体组成，内换热体由若 干个换热盘管首尾端分别汇合连接而成；外换热体由换 热器外套、进出水管及换热器套盖等组成。换热器外套 为空心圆柱形，由换热器套体和换热器套盖通过密封圈 组装成整体，以形成组合拆卸式结构，这种设计便于清 洗与维护。换热管做成渐开线式或类似形状的盘管，组 合时各盘管自下而上分层叠放，中间采用一定的隔震措 施。换热器整体的可并联使用，这样可让用户根据需要 进行换热能力调控，提高能效比。
动的，因此，本文取热－流管单元Fra Baidu bibliotekLUID116做的圆管，
其初始条件设定如下：
氟利昂 R123
铜
水
导热系数 W/(m*℃ )
0.08
383
0.61
密度 kg/m3
1463
8889
996
比热 J/(kg*℃ )
721
448
4185
管道尺寸：管外径为8mm；壁厚为1mm；长度为
300mm。管道作为冷凝器使用时内部制冷剂的边界条件： 入口温度为40℃；出口温度为20℃；入口流速为2m/s。
（二）系统的一种解决方案（地源热泵能量交换与空 调系统管路研究）
图1设计了一种基于双储能缓冲装置的热泵换热系 统，在此系统中，可将系统分为能量提取与能量使用两 大部分，能量使用又分为直接使用（如提供热水等不需 要再行换热的使用）和能量交换分系统（如地源热泵空 调系统等）。能量提取的核心部分是双储能缓冲装置， 即：它也是一种制热和制热或制冷同供的系统。通过双 储能缓冲装置实现对地下水源供给系统的有效利用，夏 季尽可能在储能装置中进行能量交换，从而能有效提高 能源的利用率和热泵机组的利用率，并尽可能减少对地 下水源的利用，减缓回灌井的老化。由图1可知，两个水 箱（储能装置）分别用来在夏天储存冷、热源，而在冬 天储存热、热源，根据用户的使用需要通过智能化控制 使装置有效工作，加大能源利用率，提高热泵机组的利 用率，同时节约能源。应用变频调速技术实现对水温空 调系统的恒压供水，通过控制系统的设计与运行，使空 调系统与热水供应系统均依赖双储能系统所提供的换热 介质工作，可实现对各系统的稳定运行。
作者简介：赵西民（1972-），男，开滦集团服务分公司工程师， 研究方向：锅炉供暖。
（责任编辑：叶小坚）
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多种形式的换热器其动态流程均有一定的研究。有在理 论上进行低压条件下的强化换热特性研究，在换热管振 动特性研究等方面也有一定的进展。本文旨在通过对水 源热泵机理的分析，提出一种新的换热系统方案，并对 换热器进行有限元热分析和结构等方面的研究，设计出 一套换热性能好方便拆卸和清洁的换热系统。
图 5 U 形管道有限元模型 图 6 U 形管道有限元分析
（四）结果与分析
管道形状 应力
应力最大值
应力最小值
变化率（%）
U 形管道
351058
321996
12.3
盘管管道
22448
20894
63.1
从变化率看，盘管管道的效果远远好于直形管道，
所以盘管形管道的传导效果明显好于U形。
三、换热器设计
通过对U形结构和盘管形结构两种典型结构的换热器 的Ansys建立模，并进行两种方案的温度场数值模拟研究 知，盘管设备传热效果远好于U形管道结构，且通过这样 的设计方法设计出的换热器单位空间的换热面积更大， 盘管管道的制造工艺性也很好。弹性传热元件振动的诱 发与控制是流体诱导振动强化换热技术的关键，对弹性 传热元件固有振动特性的研究至关重要。依据动态子结
一、新型高效地源热泵换热系统的硬件设计
（一）系统分析 地源热泵系统中的关键技术主要有热泵机组集成、
热泵控制系统、热泵换热系统、回灌技术（水源热泵） 以及空调技术等。在水源热泵换热系统中，一种从地下 抽水，送入换热器与循环介质换热，经过换热的水重新 排放到地下水体中；另一种是在地表水体中设置换热盘 管，用管道与热泵的蒸发器或冷凝器连接成回路，充以 媒介水，在水泵的驱动下循环。它通过循环液在封闭管 道中的流动，实现系统与地表水及大地之间的传热。
（四）燃烧过程中的合理的配风 锅炉在燃烧过程中，配风的方式和配风的比例都会
对煤的燃烧产生非常重要的影响，另外，燃烧器的组合 方式，以及摆角和旋流强度都会对火焰的燃烧效果产生 影响，从而造成锅炉效率的变化。合理的配风主要保证 炉膛内有充分的氧气，促进燃料的着火和充分时间进行
燃烧，有效的减少燃料的不完全燃烧热损失。二次风除 了补充必要的空气量外，还有一定的搅拌功能，它使氧气 和燃料更充分的混合，更有利于完全燃烧。所以，要安装 好二次风喷嘴的位置、角度和高度，使二次风达到最好的 效果，能够促进燃烧，提高锅炉效率。另外，一、二次风 的风温也很重要，一次风的温度提高可以减少煤粉到达着 火点的着火热，使煤粉更好的着火和燃尽。
地源热泵是以地源能（土壤、地下水、地表水、低 温地热水和尾水）作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采 暖供热的低温热源的系统，热泵通过消耗少量高品位能 源，把热量由低温级上升到高温级，从而达到采暖、制 冷或供应生活用水等目的。
目前国内建筑业主要采用地下耦合热泵系统、水源
热泵系统或空气源热泵系统等，他们分别利用地下岩 土、地下水、地表水或空气中的热量进行交换，达到使 用目的。
准备
使用Pro/E软件建立几何模型 数据导入
利用ANSYS进行网格划分、流体分析
输出结果
图 2 软件工作流程
（一）分析条件 管道是空心铜管，内部有液态氟利昂流动，通过管
道外部的水将氟利昂的高温冷却（以冷凝器为例）。本
模型分析采用等长度，同氟利昂温度、流速等情况下进
行管道散热情况研究。
由于所采用模型是对称的管道，且氟利昂和水是流
（二）方案一建模分析 由于换热管的形状由多个盘管叠在一起，可建立一
个盘管形状的模型代表整体，并取一段进行分析。模型 与结果如图3、图4所示：
图 3 盘形管道有限元模型 图 4 盘形管道有限元分析
（三）方案二建模分析 由于换热管的形状由多个U形管道叠在一起，可建立
一个U形管道形状的模型代表整体，并取一段进行分析。 模型与结果如图5、图6所示：
供热水分系统
供热水箱
补水口
热水 出口
空调分系统
供暖/制冷水 箱
空调回 进空调
双储能 循环泵
热泵机组 热端 冷端
双储能 循环泵
深井泵
回灌 能量提取分系统
图 1 基于双储能缓冲装置的热泵换热系统
二、新型高效地源热泵换热系统方案的建 模分析
结合结构的工艺与体积等因素，本文确定对两种换 热器结构方案进行分析与比较，为实际方案选用以及进 一步的结构设计提供理论依据。即：一种为常用的U形管 道形状，另一种为有较好工艺性的盘管形状。应用Pro/E 和ansys两种软件进行分析，其工作流程如图2所示：
在研究换热器形式方面主要有套管式，盘管折流板 式，片式，内外流套管式，其中，盘管折流板换热器， 纵流壳程换热器，紧凑式顺排管束满液型蒸发换热器等
最小就是最合理的过量空气系数。过量空气系数直接影 响着锅炉燃烧的好坏和排烟热损失的大小，所以如果在 运行中能够准确，迅速地测定以及监督锅炉的过量空气 系数，是一种使锅炉经济运行的很好的手段。这种测定 一般是以炉膛出口氧量作为测量的依据。
其工作原理为：在夏天需要同时制热水和制冷时， 机组优先使用两水箱中的冷、热源，从而在制取热水的 同时产生冷水，用冷水供给空调系统，实现一机两用， 提高其运行的能效比，任何一方不足时，可通过智能控
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制方式从地下水中提取能量。 在冬天，同时供热水和供暖，此时，从地下水中提供
热量分别进入两个储水箱中，两储水箱均作为供热装置。
（三）控制漏风 漏风主要发生在炉膛、制粉系统和烟道中，漏风对
于锅炉的运行效率影响很大。炉膛漏风主要是炉底漏 风，从炉底，看火孔，入孔门，炉顶和安装测点处有大 量的冷风进入炉膛，这将严重影响锅炉的经济性以及安 全正常的运行。漏风使炉膛的温度降低，所以要保持原 有的出力，就要增加燃料量的投入，从而使排烟的容积 增大，最终使排烟热损失提高。在制粉系统中，木屑分 离器，磨煤机入口冷风门等经常存在关不严的现象，所 以致使部分冷风进入制粉系统，降低了制粉系统的出 力，为了维持正常的制粉系统的出力，就要增加通风 量，同样使排烟容积增加，最终造成排烟热损失提高。 由于燃烧煤的变化，对锅炉尾部受热面的破坏更加严 重，使空气预热器的漏风量增加，烟道漏风影响了一、 二次风的风量，造成了排烟温度的升高。
四、结论
本文在研究热泵换热系统的基础上，提出了基于双 储能技术的系统解决方案。运用Ansys软件，建立热泵机 组换热器的机械模型，并分析了两种换热器的能量场， 模拟能量的交换过程，结合国内在相关方面己取得的研 究成果，得出采用盘管管式结构方案，并设计出一种基 于盘管管式内换热器结构和整体为圆环形状的方便拆卸 与清洗的换热器结构。经过实际生产与使用证明，本设 计结构合理，已获得较好的经济效益和社会效益。
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ZL2008 2 0034665.4．
基金项目：淮安市 2008 年科技计划项目“新型高效地源热泵 换热系统的研究”（项目编号：HAG08065）。
作者简介：王剑文（1969 －），男，江苏淮安人，供职于淮安市 消防支队防火处，研究方向：消防与建筑安全技术。
1997，（2）. [2] 葛震弘，宋徐辉．提高锅炉运行效率措施浅析 [J]. 工业锅炉，
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热泵控制系统是整个热泵的核心，它在控制热泵机 组运行的同时，还要采集与之相关联的设备运行信息， 以便进行实时控制，合理调配用户端的能量供应。合理 的控制方案能更好提升产品的性能。因此，研究高效换 热系统、换热器及控制方案，使其在夏天冷、热同供或 冬天同时供热等多种工况下都能合理进行能量调配与控 制是提高设备整体性能的关键。
新型高效地源热泵换热系统研究
王剑文 1 蒋素清 2 唐义锋 2
（1. 淮安市消防支队；2. 江苏财经职业技术学院，江苏 淮安 223003）
摘要 ：文章在研究热泵换热系统的基础上，提出了基于双储能技术的技术解决方案。进而运用 Ansys 软件，建立热 泵机组换热器的机械模型，进行热泵换热器的形式研究，得出采用盘管管式结构的新型换热器设计方案，设计出一 种基于盘管管式内换热器结构和整体为圆环形状的方便拆卸和清洗的换热器。 关键词 ：地源热泵 ；双储能缓冲 ；换热器 ；盘管管式 中图分类号 ：TB657 文献标识码 ：A 文章编号 ：1009-2374（2011）07-0095-03
三、结论
影响锅炉运行效率的主要因素有燃料的选择，过量 空气系数的大小，风的配制以及漏风。在供热锅炉的运 行管理中只有加强技术管理，合理调整燃烧，有效控制 锅炉损失的各主要环节，才能降低能源的浪费，提高供 热的社会效益和经济效益。
参考文献 [1] 任文尧．供暖锅炉的节能与环保 [J]．承德民族师专学报，
（责任编辑：叶小坚）
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