地源熱泵土壤溫度恢複特性研究

工程的換熱器管群的布置情況和地源熱泵係統的運行情況,對典型區域典型年和運行5年的土壤溫度變化情況進行了數值模擬,並對模擬結果進行了深入分析,所得結論可為(wei) 地源熱泵係統的優(you) 化設計提供參考。     關(guan) 鍵詞：地源熱泵　土壤溫度恢複　冷熱負荷不平衡率     0　引言     土壤溫度場的恢複特性是判定地源熱泵係統長期穩定運行的重要依據,土壤溫度的恢複有利於(yu) 機組運行過程中降低冷凝溫度(夏季)和提高蒸發溫度(冬季),從(cong) 而可有效提高機組運行的性能係數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(chuan) 熱模型,計算了過渡季(春季)土壤溫度場的恢複情況;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(ge) 典型點處的土壤溫度變化規律進行了模擬計算,模擬值與(yu) 實測值吻合較好[1]。     楊衛波等人給出了土壤溫度恢複率ζ的定義(yi) 式:ζ=(t′-t)/(ti-t),其中ti為(wei) 土壤原始溫度,t為(wei) 熱泵停止運行時的土壤溫度,t′為(wei) 計算時刻(即土壤溫度場恢複後)的土壤溫度。土壤溫度恢複率可表征土壤溫度的恢複狀況[2]。     李新國等人采用專(zhuan) 業(ye) 多孔介質計算軟件Autough2,對天津地區一實際應用的地源熱泵U形豎直埋管換熱器管群周圍的土壤溫度場進行了為(wei) 期30 a的模擬計算。計算區域尺寸為(wei) 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果基礎上,著重模擬研究了U形豎直埋管換熱器管群在隻有取熱、隻有排熱單季運行工況下和既有取熱又有排熱的雙季運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(ti) 係中,根據柱熱源模型,利用有限元傳(chuan) 熱分析計算平台,求解了係統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)、熱負荷強度及井徑等對周圍溫度場分布的影響。模擬區域為(wei) 一8 m×8 m的典型單元。研究結果表明,土壤初始溫度是地源熱泵運行的重要影響因素;在相同的熱負荷下,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,但更易於(yu) 發生井間傳(chuan) 熱交互影響[4]。     趙軍(jun) 等人以南京一實際地源熱泵係統為(wei) 例,對大麵積密集型樁埋換熱器管群周圍土壤的換熱特性進行了為(wei) 期6 a的數值模擬。計算區域尺寸為(wei) 116.73 m×72.33 m。提出了土壤換熱中熱屏障的概念。長期運行中,熱屏障帶的溫度增長速率要高於(yu) 土壤平均溫度的增長速率,建議從(cong) 負荷平衡和熱屏障兩(liang) 個(ge) 角度進行分析,以保證地源熱泵係統穩定可靠地運行[5]。     本文在已有研究成果的基礎上,針對大規模地源熱泵土壤溫度場的恢複特性作進一步深入分析。     1　工程概況     上海某地源熱泵實際工程,其所在地塊的尺寸為(wei) 1 000 m×100 m,采用樁基式地源熱泵係統承擔30%的係統總冷負荷,其餘(yu) 負荷由江水源熱泵承擔。綜合考慮傳(chuan) 熱性能、水係統水力平衡、水泵功耗和冷凝器換熱麵積等因素,采用W形樁基埋管,經測試其單位埋深放熱量為(wei) 83.05 W/m,取熱量為(wei) 62.49 W/m;計算放熱量、取熱量時對應的土壤初始溫度均為(wei) 18.2℃。     該工程結構樁位典型模塊如圖1所示,樁基的有效埋深為(wei) 25 m,即從(cong) 地下11 m到地下36 m。根據該工程的樁群布置情況和地源熱泵係統實際的運行情況,對地源熱泵樁基埋管典型區域溫度場進行數值模擬研究。                   2　模型描述     2.1　模擬對象     根據圖1所示的基本單元樁基布置圖,取其中的10組×10組(約800個(ge) 樁基)進行土壤溫度場的數值模擬。計算采用的數學模型中隻考慮土壤導熱(忽略土壤中的水分遷移),為(wei) 在現有計算機上實現有效的長時間模擬,采用二維簡化區域,且考慮到物理上的對稱性,取其中的1/4平麵為(wei) 計算區域。網格劃分結果如圖2所示,節點總數約為(wei) 220 000。                   2.2　計算模型及參數設置     采用二維、無限大、均質、無內(nei) 熱源、非穩態導熱模型,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(hui) 引入一定的誤差。如果是研究少數幾個(ge) 樁基短時間內(nei) 的傳(chuan) 熱性能,必須采用三維模擬;本文是研究一個(ge) 典型區域的樁基長時間的傳(chuan) 熱性能,進行二維模擬所涉及的網格數目和模擬計算量已經很大,再加上要考察土壤溫變的長期效應,因而進行了適當的簡化。這或許也是以往的數值模擬研究者[3-5]采用二維模擬研究一個(ge) 區域的溫度場長期變化規律的原因。     固體(ti) 非穩態導熱采用以下的基本方程:                  式中t為(wei) 土壤溫度,℃;τ為(wei) 時間,s;a為(wei) 土壤導溫係數,m2/s,a=λ/(ρc),其中λ為(wei) 土壤導熱係數,W/(m·K),ρ為(wei) 土壤密度,kg/m3,c為(wei) 土壤比熱容,J/(kg·K)。     土壤物性參數按照砂質粉土取值,其導熱係數為(wei) 1.3 W/(m·K),密度為(wei) 1 847 kg/m3,比熱容為(wei) 1 200 J/(kg·K)。土壤初始溫度取18.2℃。土壤遠邊界設定為(wei) 等溫邊界,對稱麵上采用物理量法向輸運等於(yu) 零的對稱邊界條件。PE管所在位置壁麵采用熱流型邊界條件。熱泵9:00啟動,21:00關(guan) 閉,即係統啟停比為(wei) 1;空調運行季為(wei) 5~9月(5個(ge) 月,計150 d),供暖運行季為(wei) 12,1,2月(3個(ge) 月,計90 d),其餘(yu) 月份為(wei) 土壤溫度恢複期。常規的CFD數值模擬軟件無法實現土壤換熱的按日、按運行季周期性地變換邊界條件,因此,在研究中通過編製CFD接口程序實現了上述周期性條件的順利導入。     根據W形換熱器測試結果,分別選擇夏季測試大負荷的65%和55%作為(wei) 夏季負荷(考慮到一般情況下,夏季空調平均日負荷為(wei) 設計日負荷的65%左右)。根據冷熱負荷不平衡率一般小於(yu) 20%的經驗範圍,對上述兩(liang) 種負荷強度分別設定了10%和3%的不平衡率,見表1。                   3　模擬結果     3.1　典型區域典型年土壤溫度變化模擬研究     3.1.1　典型點溫度的年變化     圖3給出了工況1中兩(liang) 個(ge) 典型點在整個(ge) 空調季→恢複季→供暖季→恢複季中(1 a)的溫度連續變化過程。樁基中心點的溫度變化對負荷的響應幾乎是即時的,與(yu) 熱泵運行工況同步變化;而4個(ge) 樁基的對角中心點的溫度變化明顯滯後,在兩(liang) 個(ge) 恢複季均呈現出部分反向變化的效應(夏季之後仍在升高,冬季之後仍在降低)。土壤平均溫度正是這兩(liang) 種典型點溫度變化趨勢綜合作用的結果。大部分區域土壤溫度具有樁基對角中心點的溫度特點,這表明過渡季對於(yu) 土壤溫度的恢複作用十分有限,熱泵係統的可靠運行更主要是依賴冬季和夏季的負荷平衡。                    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(cong) 土壤取熱的過程中,土壤溫度逐月降低。在空調季,土壤每個(ge) 月的溫升是不同的,溫升幅度逐漸減小;5個(ge) 月的空調季運行期滿後,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(ge) 月的供暖季運行期滿後,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、夏負荷幾乎平衡,土壤夏季溫升與(yu) 冬季溫降大致相等。                   定義(yi) 換熱效率為(wei) 根據土壤平均溫度修正的取、放熱量與(yu) 設計取、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(you) 於(yu) 工況1,而其取熱效率略差於(yu) 工況1,可見冷熱負荷不平衡率越大,越有利於(yu) 冬季工況,越不利於(yu) 夏季工況。                   3.2　典型區域運行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。模擬預測結果表明,工況1中,冬季之後的恢複季末的土壤溫度,5 a的總溫升約為(wei) 2.77℃(第1~5年的溫升分別為(wei) 0.87,0.65,0.43,0.41,0.41℃),穩定後的溫升速率為(wei) 0.41℃/a;第1~5年夏季運行結束時土壤高溫度分別升高了6.10,6.82,7.37,7.88,8.39℃。從(cong) 而表明土壤尚未出現明顯的熱屏障帶危害,可以保證熱泵係統穩定運行10 a以上。工況2中,冬季之後的恢複季末的土壤溫度,5 a的總溫升約為(wei) 0.81℃(第1~5年的溫升分別為(wei) 0.28,0.16,0.14,0.12,0.11℃),穩定後的溫升速率為(wei) 0.11℃/a;第1~5年夏季運行結束時土壤高溫度分別升高了5.32,5.47,5·65,5.83,6.02℃。從(cong) 而表明此工況可確保係統長期穩定運行。                   圖8表明由於(yu) 夏季熱泵運行時土壤溫度的升高,地下換熱器的換熱溫差逐年下降,因此,實際換熱量總是小於(yu) 設計負荷值。由於(yu) 土壤吸放熱的不平衡,冬季熱泵運行時的土壤平均溫度逐年上升,使地下換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　結論                  4.1　樁基周圍的土壤溫度場經曆著“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　冷熱負荷不平衡率越大,越有利於(yu) 冬季工況,越不利於(yu) 夏季工況。      4.3　地溫的恢複特性主要取決(jue) 於(yu) 土壤熱物性、管群布置、係統啟停比、冷熱負荷強度和冷熱負荷不平衡率等。在其他條件不變時,合理的冷熱負荷強度和較小的冷熱負荷不平衡率有利於(yu) 地溫恢複,可實現地源熱泵係統經濟節能運行的目的。     4.4　可通過采用複合式地源熱泵係統(在常規地源熱泵係統基礎上增設冷卻塔)或者選用帶熱回收功能的主機等方式來調節負荷不平衡率,促進土壤溫度場的恢複,確保地源熱泵係統長期穩定運行。故需深入研究複合式地源熱泵係統的負荷分擔率、控製策略和運營管理機製。     4.5　本文的結論是在一定簡化條件下得出的,還有一些問題需要進一步分析,如係統負荷的隨機性和波動性(負荷強度、負荷不平衡率和啟停比等)及采用二維模型等對結果造成的影響。 參考文獻: [1]劉憲英,張素雲(yun) .地熱源熱泵冬夏暖冷聯供試驗研究[J].水利電力施工機械, 2000,21(1):14-22 [2]楊衛波,施明恒,董華.太陽能-土壤源熱泵係統(SESHPS)交替運行性能的數值模擬[J].熱科學與(yu) 技術, 2005,4(3):228-232 [3]李新國,趙軍(jun) ,周倩.U型垂直埋管換熱器管群周圍土壤溫度數值模擬[J].太陽能學報,2004,25(5):703-707 [4]高青,李明,閆燕.群井地下換熱係統初溫和構造因素影響傳(chuan) 熱的研究[J].熱科學與(yu) 技術,2005,4(1):34-40 [5]趙軍(jun) ,王華軍(jun) .密集型樁埋換熱器管群周圍土壤換熱特性的數值模擬[J].暖通空調,2006,36(2):11-14

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