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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
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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：
(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，且氟利昂和水是流动的，因此，本文取热一流管单元FLUIDll6做的圆管，其初始条件设定如下：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) 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：
(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：
(四) 结果与分析
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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：
(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，且氟利昂和水是流动的，因此，本文取热一流管单元FLUIDll6做的圆管，其初始条件设定如下：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) 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：
(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：
(四) 结果与分析
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。
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。