地源熱泵土壤溫度恢復(fù)特性研究

工程的換熱器管群的布置情況和地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況,對典型區(qū)域典型年和運(yùn)行5年的土壤溫度變化情況進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對模擬結(jié)果進(jìn)行了深入分析,所得結(jié)論可為地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。     關(guān)鍵詞：地源熱泵　土壤溫度恢復(fù)　冷熱負(fù)荷不平衡率     0　引言     土壤溫度場的恢復(fù)特性是判定地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要依據(jù),土壤溫度的恢復(fù)有利于機(jī)組運(yùn)行過程中降低冷凝溫度(夏季)和提高蒸發(fā)溫度(冬季),從而可有效提高機(jī)組運(yùn)行的性能系數(shù)COP和降低功耗。     劉憲英等人按徑向和管長方向建立了二維傳熱模型,計(jì)算了過渡季(春季)土壤溫度場的恢復(fù)情況;針對淺埋(10 m深)套管式換熱器,對3 m,6m,9 m埋深套管外壁3個(gè)典型點(diǎn)處的土壤溫度變化規(guī)律進(jìn)行了模擬計(jì)算,模擬值與實(shí)測值吻合較好[1]。     楊衛(wèi)波等人給出了土壤溫度恢復(fù)率ζ的定義式:ζ=(t′-t)/(ti-t),其中ti為土壤原始溫度,t為熱泵停止運(yùn)行時(shí)的土壤溫度,t′為計(jì)算時(shí)刻(即土壤溫度場恢復(fù)后)的土壤溫度。土壤溫度恢復(fù)率可表征土壤溫度的恢復(fù)狀況[2]。     李新國等人采用專業(yè)多孔介質(zhì)計(jì)算軟件Autough2,對天津地區(qū)一實(shí)際應(yīng)用的地源熱泵U形豎直埋管換熱器管群周圍的土壤溫度場進(jìn)行了為期30 a的模擬計(jì)算。計(jì)算區(qū)域尺寸為42 m×21m。在不同土壤物性對單根換熱器土壤溫度影響的模擬結(jié)果基礎(chǔ)上,著重模擬研究了U形豎直埋管換熱器管群在只有取熱、只有排熱單季運(yùn)行工況下和既有取熱又有排熱的雙季運(yùn)行工況下的土壤溫度變化情況[3]。     高青等人在群井多熱源體系中,根據(jù)柱熱源模型,利用有限元傳熱分析計(jì)算平臺,求解了系統(tǒng)吸熱過程引起的埋管周圍土壤溫度場的變化情況,探討了初始溫度、排列布置形式(順排、叉排)、熱負(fù)荷強(qiáng)度及井徑等對周圍溫度場分布的影響。模擬區(qū)域?yàn)橐? m×8 m的典型單元。研究結(jié)果表明,土壤初始溫度是地源熱泵運(yùn)行的重要影響因素;在相同的熱負(fù)荷下,小井徑的熱流密度大,溫度場變化劇烈;大井徑的溫度場變化相對平緩,但更易于發(fā)生井間傳熱交互影響[4]。     趙軍等人以南京一實(shí)際地源熱泵系統(tǒng)為例,對大面積密集型樁埋換熱器管群周圍土壤的換熱特性進(jìn)行了為期6 a的數(shù)值模擬。計(jì)算區(qū)域尺寸為116.73 m×72.33 m。提出了土壤換熱中熱屏障的概念。長期運(yùn)行中,熱屏障帶的溫度增長速率要高于土壤平均溫度的增長速率,建議從負(fù)荷平衡和熱屏障兩個(gè)角度進(jìn)行分析,以保證地源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行[5]。     本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上,針對大規(guī)模地源熱泵土壤溫度場的恢復(fù)特性作進(jìn)一步深入分析。     1　工程概況     上海某地源熱泵實(shí)際工程,其所在地塊的尺寸為1 000 m×100 m,采用樁基式地源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)30%的系統(tǒng)總冷負(fù)荷,其余負(fù)荷由江水源熱泵承擔(dān)。綜合考慮傳熱性能、水系統(tǒng)水力平衡、水泵功耗和冷凝器換熱面積等因素,采用W形樁基埋管,經(jīng)測試其單位埋深放熱量為83.05 W/m,取熱量為62.49 W/m;計(jì)算放熱量、取熱量時(shí)對應(yīng)的土壤初始溫度均為18.2℃。     該工程結(jié)構(gòu)樁位典型模塊如圖1所示,樁基的有效埋深為25 m,即從地下11 m到地下36 m。根據(jù)該工程的樁群布置情況和地源熱泵系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行情況,對地源熱泵樁基埋管典型區(qū)域溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬研究。                   2　模型描述     2.1　模擬對象     根據(jù)圖1所示的基本單元樁基布置圖,取其中的10組×10組(約800個(gè)樁基)進(jìn)行土壤溫度場的數(shù)值模擬。計(jì)算采用的數(shù)學(xué)模型中只考慮土壤導(dǎo)熱(忽略土壤中的水分遷移),為在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)有效的長時(shí)間模擬,采用二維簡化區(qū)域,且考慮到物理上的對稱性,取其中的1/4平面為計(jì)算區(qū)域。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示,節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為220 000。                   2.2　計(jì)算模型及參數(shù)設(shè)置     采用二維、無限大、均質(zhì)、無內(nèi)熱源、非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型,忽略沿土壤深度方向熱流變化的影響。二維模擬是對三維模擬的簡化,肯定會引入一定的誤差。如果是研究少數(shù)幾個(gè)樁基短時(shí)間內(nèi)的傳熱性能,必須采用三維模擬;本文是研究一個(gè)典型區(qū)域的樁基長時(shí)間的傳熱性能,進(jìn)行二維模擬所涉及的網(wǎng)格數(shù)目和模擬計(jì)算量已經(jīng)很大,再加上要考察土壤溫變的長期效應(yīng),因而進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?。這或許也是以往的數(shù)值模擬研究者[3-5]采用二維模擬研究一個(gè)區(qū)域的溫度場長期變化規(guī)律的原因。     固體非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱采用以下的基本方程:                  式中t為土壤溫度,℃;τ為時(shí)間,s;a為土壤導(dǎo)溫系數(shù),m2/s,a=λ/(ρc),其中λ為土壤導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K),ρ為土壤密度,kg/m3,c為土壤比熱容,J/(kg·K)。     土壤物性參數(shù)按照砂質(zhì)粉土取值,其導(dǎo)熱系數(shù)為1.3 W/(m·K),密度為1 847 kg/m3,比熱容為1 200 J/(kg·K)。土壤初始溫度取18.2℃。土壤遠(yuǎn)邊界設(shè)定為等溫邊界,對稱面上采用物理量法向輸運(yùn)等于零的對稱邊界條件。PE管所在位置壁面采用熱流型邊界條件。熱泵9:00啟動,21:00關(guān)閉,即系統(tǒng)啟停比為1;空調(diào)運(yùn)行季為5~9月(5個(gè)月,計(jì)150 d),供暖運(yùn)行季為12,1,2月(3個(gè)月,計(jì)90 d),其余月份為土壤溫度恢復(fù)期。常規(guī)的CFD數(shù)值模擬軟件無法實(shí)現(xiàn)土壤換熱的按日、按運(yùn)行季周期性地變換邊界條件,因此,在研究中通過編制CFD接口程序?qū)崿F(xiàn)了上述周期性條件的順利導(dǎo)入。     根據(jù)W形換熱器測試結(jié)果,分別選擇夏季測試大負(fù)荷的65%和55%作為夏季負(fù)荷(考慮到一般情況下,夏季空調(diào)平均日負(fù)荷為設(shè)計(jì)日負(fù)荷的65%左右)。根據(jù)冷熱負(fù)荷不平衡率一般小于20%的經(jīng)驗(yàn)范圍,對上述兩種負(fù)荷強(qiáng)度分別設(shè)定了10%和3%的不平衡率,見表1。                   3　模擬結(jié)果     3.1　典型區(qū)域典型年土壤溫度變化模擬研究     3.1.1　典型點(diǎn)溫度的年變化     圖3給出了工況1中兩個(gè)典型點(diǎn)在整個(gè)空調(diào)季→恢復(fù)季→供暖季→恢復(fù)季中(1 a)的溫度連續(xù)變化過程。樁基中心點(diǎn)的溫度變化對負(fù)荷的響應(yīng)幾乎是即時(shí)的,與熱泵運(yùn)行工況同步變化;而4個(gè)樁基的對角中心點(diǎn)的溫度變化明顯滯后,在兩個(gè)恢復(fù)季均呈現(xiàn)出部分反向變化的效應(yīng)(夏季之后仍在升高,冬季之后仍在降低)。土壤平均溫度正是這兩種典型點(diǎn)溫度變化趨勢綜合作用的結(jié)果。大部分區(qū)域土壤溫度具有樁基對角中心點(diǎn)的溫度特點(diǎn),這表明過渡季對于土壤溫度的恢復(fù)作用十分有限,熱泵系統(tǒng)的可靠運(yùn)行更主要是依賴冬季和夏季的負(fù)荷平衡。                    3.1.2　土壤平均溫度的年變化     由圖4可知,夏季樁基埋管換熱器向土壤放熱的過程中,土壤溫度逐月升高;冬季樁基埋管換熱器從土壤取熱的過程中,土壤溫度逐月降低。在空調(diào)季,土壤每個(gè)月的溫升是不同的,溫升幅度逐漸減小;5個(gè)月的空調(diào)季運(yùn)行期滿后,工況1和工況2的土壤平均溫度分別升高了約6.1℃和5.32℃。在3個(gè)月的供暖季運(yùn)行期滿后,工況1和工況2的土壤平均溫度分別降低了5.2℃和5.25℃。工況1的土壤冬、夏溫度變化差距較大;工況2的冬、夏負(fù)荷幾乎平衡,土壤夏季溫升與冬季溫降大致相等。                   定義換熱效率為根據(jù)土壤平均溫度修正的取、放熱量與設(shè)計(jì)取、放熱量的比值。由圖5,6可知,夏季隨著土壤溫度的逐漸升高,地源熱泵的換熱效率逐漸下降;冬季隨著土壤溫度的逐漸降低,地源熱泵的換熱效率也逐漸下降。工況2的放熱效率優(yōu)于工況1,而其取熱效率略差于工況1,可見冷熱負(fù)荷不平衡率越大,越有利于冬季工況,越不利于夏季工況。                   3.2　典型區(qū)域運(yùn)行5 a土壤溫度變化模擬研究                   圖7給出了每年土壤平均溫度的變化曲線。模擬預(yù)測結(jié)果表明,工況1中,冬季之后的恢復(fù)季末的土壤溫度,5 a的總溫升約為2.77℃(第1~5年的溫升分別為0.87,0.65,0.43,0.41,0.41℃),穩(wěn)定后的溫升速率為0.41℃/a;第1~5年夏季運(yùn)行結(jié)束時(shí)土壤高溫度分別升高了6.10,6.82,7.37,7.88,8.39℃。從而表明土壤尚未出現(xiàn)明顯的熱屏障帶危害,可以保證熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行10 a以上。工況2中,冬季之后的恢復(fù)季末的土壤溫度,5 a的總溫升約為0.81℃(第1~5年的溫升分別為0.28,0.16,0.14,0.12,0.11℃),穩(wěn)定后的溫升速率為0.11℃/a;第1~5年夏季運(yùn)行結(jié)束時(shí)土壤高溫度分別升高了5.32,5.47,5·65,5.83,6.02℃。從而表明此工況可確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。                   圖8表明由于夏季熱泵運(yùn)行時(shí)土壤溫度的升高,地下?lián)Q熱器的換熱溫差逐年下降,因此,實(shí)際換熱量總是小于設(shè)計(jì)負(fù)荷值。由于土壤吸放熱的不平衡,冬季熱泵運(yùn)行時(shí)的土壤平均溫度逐年上升,使地下?lián)Q熱器獲得有利的換熱“勢差”,因此,其冬季平均換熱效率逐年上升。     4　結(jié)論                  4.1　樁基周圍的土壤溫度場經(jīng)歷著“升溫→降溫→升溫”的周期性變化過程,不同位置的溫度場差異主要反映在振幅的衰減及相位的延遲上。     4.2　冷熱負(fù)荷不平衡率越大,越有利于冬季工況,越不利于夏季工況。      4.3　地溫的恢復(fù)特性主要取決于土壤熱物性、管群布置、系統(tǒng)啟停比、冷熱負(fù)荷強(qiáng)度和冷熱負(fù)荷不平衡率等。在其他條件不變時(shí),合理的冷熱負(fù)荷強(qiáng)度和較小的冷熱負(fù)荷不平衡率有利于地溫恢復(fù),可實(shí)現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行的目的。     4.4　可通過采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)(在常規(guī)地源熱泵系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)冷卻塔)或者選用帶熱回收功能的主機(jī)等方式來調(diào)節(jié)負(fù)荷不平衡率,促進(jìn)土壤溫度場的恢復(fù),確保地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。故需深入研究復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的負(fù)荷分擔(dān)率、控制策略和運(yùn)營管理機(jī)制。     4.5　本文的結(jié)論是在一定簡化條件下得出的,還有一些問題需要進(jìn)一步分析,如系統(tǒng)負(fù)荷的隨機(jī)性和波動性(負(fù)荷強(qiáng)度、負(fù)荷不平衡率和啟停比等)及采用二維模型等對結(jié)果造成的影響。 參考文獻(xiàn): [1]劉憲英,張素云.地?zé)嵩礋岜枚呐渎?lián)供試驗(yàn)研究[J].水利電力施工機(jī)械, 2000,21(1):14-22 [2]楊衛(wèi)波,施明恒,董華.太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)(SESHPS)交替運(yùn)行性能的數(shù)值模擬[J].熱科學(xué)與技術(shù), 2005,4(3):228-232 [3]李新國,趙軍,周倩.U型垂直埋管換熱器管群周圍土壤溫度數(shù)值模擬[J].太陽能學(xué)報(bào),2004,25(5):703-707 [4]高青,李明,閆燕.群井地下?lián)Q熱系統(tǒng)初溫和構(gòu)造因素影響傳熱的研究[J].熱科學(xué)與技術(shù),2005,4(1):34-40 [5]趙軍,王華軍.密集型樁埋換熱器管群周圍土壤換熱特性的數(shù)值模擬[J].暖通空調(diào),2006,36(2):11-14

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