用動態模擬方法設計Ｕ形地埋管換熱器

用動態模擬方法設計Ｕ形地埋管換熱器

摘要:給出了Ｕ形地埋管換熱器的數值模型。利用實測數據對比驗證了自主開發的模擬軟件的準確性。在模擬建築全年動態負荷的基礎上，采用該模擬軟件對某地源熱泵工程地埋管換熱器進行了３０年的逐時模擬，確定了埋管方案。指出不能采用單位深度換熱量設計地源熱泵換熱器，必須進行動態模擬。     關(guan) 鍵詞：地源熱泵　Ｕ形地埋管換熱器　數值模型　動態模擬     ０　引言     地源熱泵空調在國內(nei) 外受到廣泛關(guan) 注，發展迅速［１］。在我國地源熱泵推廣中，科學設計、係統優(you) 化、規範施工及基礎研究方麵仍需加強［１］。     地源熱泵係統設計必須進行熱響應實驗、建築動態負荷計算、熱泵動態負荷計算、係統方案初步擬定、地埋管換熱器水溫及土壤溫度的動態模擬等工作。地埋管換熱器設計合理與(yu) 否是地源熱泵工程成功與(yu) 否的關(guan) 鍵，但因地埋管換熱器的非穩態特性而使其設計複雜化。本文給出了地埋管換熱器的數值模型，在模擬建築全年動態負荷基礎上，采用自主開發的Ｕ形地埋管換熱器動態數值模擬軟件，對某地源熱泵工程地埋管換熱器進行了３０ａ的逐時模擬，確定了埋管方案。計算表明，地埋管換熱器動態數值模擬方法準確性較高，快速，具有工程實用性。     １　熱響應實驗     部分工程簡單按經驗數據設計地源熱泵係統，但由於(yu) 各種場地地質水文條件的差異，經驗數據不具普適性，估算可能造成係統不合理。因此ＧＢ５０３６６—２００５《地源熱泵係統工程技術規範》［２－３］規定必須進行熱響應實驗。     熱響應實驗的目的在於(yu) 獲取試驗孔單位深度吸放熱量、岩土的導熱係數及體(ti) 積比熱容。必須注意，熱響應實驗獲得的單位深度換熱量隻能作為(wei) 參考進行初步規劃，因為(wei) 該數據是在特定溫差條件下測得的，並且熱響應測試時間較短，不能有效反映熱量長期累積對換熱的影響。準確的土壤導熱係數和體(ti) 積比熱容才是係統設計模擬的基本依據。岩土熱物性參數可以在對數時間坐標上用直線擬合方法計算，也可直接用多參數估計法計算［２－９］，其基本思想是土壤熱物性參數具代表性的取值應該保證模型計算水溫與(yu) 實測水溫的方差小。關(guan) 於(yu) 熱物性參數計算方法的探討，此處不予詳述。     ２　地埋管換熱器的動態模擬方法     建築負荷計算可以采用常見的軟件。此處僅(jin) 闡述地埋管換熱器的模擬方法。     ２．１　地埋管換熱器數值模型     目前國外地熱模擬軟件主要有ＧＬＨＥＰＲＯ，ＧＬＤ［１０］。國內(nei) 有地熱之星軟件①。在參考了現有計算模型［４－１４］的基礎上，筆者采用數值方法［１５－１７］獨立開發了Ｕ形地埋管換熱器動態模擬軟件［１８］。     該軟件采用圓柱熱源模型，鑽孔內(nei) 的傳(chuan) 熱簡化為(wei) 穩態傳(chuan) 熱，孔外傳(chuan) 熱認為(wei) 是非穩態的。忽略軸向導熱，也忽略地麵溫度波動和埋管底部傳(chuan) 熱的影響。離散網格如圖１所示。                               式（１）～（９）中　ｔｉ，τ為(wei) 第ｉ個(ge) 節點τ時刻的溫度，℃；Ｑ為(wei) 某個(ge) 時刻換熱器的熱負荷，Ｗ；Δτ為(wei) 時間步長，ｓ；ρｓｃｓ為(wei) 土壤的體(ti) 積比熱容，Ｊ／（ｍ３·Ｋ）；Ｖｉ為(wei) 控製單元的容積，ｍ３；λ為(wei) 土壤的導熱係數，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；Δｒ為(wei) 空間步長，ｍ；ｒｉ為(wei) 第ｉ個(ge) 節點對應的半徑，ｍ；ｚ為(wei) 整個(ge) 換熱器豎向深度，ｍ。多孔布置時，孔間距的中心位置可以考慮為(wei) 絕熱邊界，ｔＭ，τ計算式應作相應改變，此略。     流體(ti) 節點與(yu) 孔壁通過下式起來：                  式中　ｔｆ為(wei) 流體(ti) 平均溫度，℃；Ｒｂ為(wei) 單位深度孔內(nei) 熱阻，ｍ·Ｋ／Ｗ，其計算方法見文獻［１１］；ｔ１為(wei) 孔壁溫度，℃。     地埋管換熱器進口溫度ｔｆ，ｉｎ和出口溫度ｔｆ，ｏｕｔ分別為(wei) ：                   式（１１）～（１３）中　Δｔｆ為(wei) 進出口溫差，℃；ｍ為(wei) 質量流量，ｋｇ／ｓ；ｃｐ，ｗ為(wei) 循環水的比定壓熱容，Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）。在土壤熱物性參數、設計流量確定後，利用該模型可以設定換熱器入口溫度已知，計算出口溫度、土壤溫度及換熱量；也可以設定換熱量已知，計算進、出口溫度和土壤溫度。     ２．２　動態模擬軟件驗證及討論     為(wei) 了驗證自主開發軟件的準確性，筆者采用２００９年４月對綿陽某場地進行熱響應實驗得到的數據［１８－１９］進行對比。方法如下：１）根據實測的進、出水溫度和流量，用線熱源解析模型估計土壤導熱係數及體(ti) 積比熱容。２）基於(yu) 估計的導熱係數和體(ti) 積比熱容、實測的流量，以實測入口溫度為(wei) 已知條件，計算出口溫度。３）比較實測的出口溫度和模擬計算的出口溫度。在設定入口溫度的情況下，雙Ｕ形管出口溫度實測值和模擬計算值的比較如圖２～５所示。                   圖２，４表明，吸熱和放熱工況下，出口溫度模擬計算值與(yu) 實測值趨勢一致，說明數值模型整體(ti) 上符合物理規律。值得注意的是：熱響應實驗初期並不嚴(yan) 格滿足恒熱流假設，恒熱流線熱源或柱熱源解析解一般用於(yu) 實驗進行１０ｈ以後才比較準確。該數值模型適用於(yu) 變熱流工況，用於(yu) 放熱／吸熱初期的模擬仍有較高的準確度。     由圖３，５可以看出，模擬值總體(ti) 偏高，但絕大部分情況下偏差在１℃以內(nei) 。偏差一方麵來自於(yu) 模型及算法的近似處理（比如空間步長、時間步長對精度有影響），另一方麵有可能來自於(yu) 實測數據本身（比如岩土熱物性參數包含有某種程度的不確定性）。筆者認為(wei) 除了空間步長、時間步長對精度有影響外，孔內(nei) 穩態熱阻的計算也可能造成水溫的較大偏差。文獻［１９］隻估算了導熱係數及體(ti) 積比熱容２個(ge) 參數，孔內(nei) 熱阻采用文獻［１１］的公式計算。筆者擬用熱響應實驗測試數據同時估算導熱係數、體(ti) 積比熱容及孔內(nei) 熱阻３個(ge) 參數。以此為(wei) 基礎，用數值模型獲得的水溫模擬值可能會(hui) 與(yu) 實測值吻合得更好。     總體(ti) 來說，自主開發的軟件具有較高的準確性，可以用於(yu) 工程設計。遺憾的是目前驗證還於(yu) 短期的熱響應實驗數據，長期模擬（１ａ以上）的準確性還有待進一步驗證。長期模擬可以把軸向傳(chuan) 熱考慮進去。該數值模型與(yu) 其他計算模型的對比驗證目前正在進行。     除具有較高準確性外，該軟件計算速度較快，動態模擬１ａ的運行情況隻需機時１ｍｉｎ，用於(yu) 多種方案的分析篩選方便快捷，非常實用。     目前該軟件還未把地埋管換熱器與(yu) 熱泵機組耦合起來進行全係統能耗模擬，正在進一步完善。全係統模擬需要給出熱泵機組的性能計算模型。     ３　地埋管換熱器設計舉(ju) 例     ３．１　建築負荷     某工程夏季空調設計總冷負荷為(wei) １　５００ｋＷ，冬季空調設計總熱負荷為(wei) １　０００ｋＷ，全年逐時負荷如圖６所示。                    ３．２　冷熱源方案     采用２台地埋管地源熱泵空調機組和１台水冷螺杆式冷水機組。     熱負荷全部由２台地源熱泵機組承擔。夏季冷負荷小於(yu) 設計負荷的１／３時，開啟１台冷水機組，以便土壤恢複冷熱平衡；冷負荷大於(yu) 設計負荷的１／３時，開啟１台冷水機組承擔設計負荷的１／３，其餘(yu) 部分由１台或２台地源熱泵機組承擔。     ３．３　地源熱泵機組負荷     根據冷熱源方案，得到熱泵機組的全年負荷，如圖７所示。                   ３．４　地埋管換熱器負荷     根據熱泵機組的ＥＥＲ和ＣＯＰ（目前沒考慮機組性能的動態變化），計算得到地埋管換熱器的全年負荷，如圖８所示。全年累計排熱量為(wei) ７．０８×１０８　ｋＷ·ｈ，累計吸熱量為(wei) ９．７４×１０８　ｋＷ·ｈ。全年冷熱負荷比較接近。                   ３．５　換熱器初步方案     根據當地地質條件及打孔費用，建議鑽孔深度為(wei) ７０ｍ。     圖８中，夏天地埋管換熱器承擔的大放熱負荷為(wei) ９２４ｋＷ，按單位深度放熱量７０Ｗ／ｍ估計，鑽孔數為(wei) １９０個(ge) 。圖８中，冬天大吸熱負荷為(wei) ８０６ｋＷ，按單位深度吸熱量６０Ｗ／ｍ估計，鑽孔數為(wei) １９２個(ge) 。綜合以上數據，確定初步方案：鑽２００孔。     ３．６　動態模擬及優(you) 化     按初步方案（２００孔）全年運行時換熱器的進、出水溫度如圖９所示。可以看出，２００孔方案出水水溫偏高（高近４０℃，高於(yu) ３２℃的時間達７４ｈ），不符合熱泵冷水機組運行條件，說明按單位深度吸、放熱量經驗數據進行設計是不可靠的。                   考慮到熱量累積的影響，打孔數增加為(wei) ２６０個(ge) ，全年運行時換熱器進、出水溫度如圖１０所示。２６０孔方案下，出水溫度超過３２℃的時間不足１８ｈ，低在５℃以上。可以認為(wei) 全年運行時該係統會(hui) 有較高的效率。              ２６０孔方案下，孔壁溫度高時刻及低時刻土壤溫度的空間分布如圖１１所示。                   ２６０孔方案下，第３０年鑽孔周圍半徑１０ｍ內(nei) 土壤溫度分布如圖１２所示，其中孔壁及距鑽孔中心３，４ｍ處的土壤溫度全年變化如圖１３所示。從(cong) 圖１１～１３可以看出：     １）土壤高溫度分布，運行３０ａ後幾乎沒有變化。孔壁高溫度約為(wei) ２６℃。     ２）土壤低溫度分布，運行３０ａ後有輕微降低。因為(wei) 該方案中，累計吸熱比累計放熱大。孔壁低溫度約為(wei) １４．５℃     ３）鑽孔周圍溫度變化明顯的區域在３ｍ以內(nei) 。因此建議孔間距為(wei) ６ｍ。     ４　結語     本文給出了地埋管換熱器非穩態傳(chuan) 熱數值模型。該動態模型計算準確、快捷，可用於(yu) 工程設計。計算實例表明，不能采用單位深度換熱量設計地埋管換熱器的終方案，必須進行地埋管換熱器動態模擬，確定換熱器方案，保證機組運行的條件。本文隻模擬了地埋管換熱器，地埋管換熱器與(yu) 熱泵機組的耦合未考慮。應對該方法進行進一步的完善，以便耦合模擬全係統的能耗。  

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