地源熱泵土壤溫度恢復特性研究

工程的換熱器管群的布置情況和地源熱泵系統的運行情況,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,并對模擬結果進行了深入分析,所得結論可為地源熱泵系統的優化設計提供參考。     關鍵詞：地源熱泵　土壤溫度恢復　冷熱負荷不平衡率     0　引言     土壤溫度場的恢復特性是判定地源熱泵系統長期穩定運行的重要依據,土壤溫度的恢復有利于機組運行過程中降低冷凝溫度(夏季)和提高蒸發溫度(冬季),從而可有效提高機組運行的性能系數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熱模型,計算了過渡季(春季)土壤溫度場的恢復情況;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個典型點處的土壤溫度變化規律進行了模擬計算,模擬值與實測值吻合較好[1]。     楊衛波等人給出了土壤溫度恢復率ζ的定義式:ζ=(t′-t)/(ti-t),其中ti為土壤原始溫度,t為熱泵停止運行時的土壤溫度,t′為計算時刻(即土壤溫度場恢復后)的土壤溫度。土壤溫度恢復率可表征土壤溫度的恢復狀況[2]。     李新國等人采用專業多孔介質計算軟件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期30 a的模擬計算。計算區域尺寸為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果基礎上,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系中,根據柱熱源模型,利用有限元傳熱分析計算平臺,求解了系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,但更易于發生井間傳熱交互影響[4]。     趙軍等人以南京一實際地源熱泵系統為例,對大面積密集型樁埋換熱器管群周圍土壤的換熱特性進行了為期6 a的數值模擬。計算區域尺寸為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,建議從負荷平衡和熱屏障兩個角度進行分析,以保證地源熱泵系統穩定可靠地運行[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復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1 000 m×100 m,采用樁基式地源熱泵系統承擔30%的系統總冷負荷,其余負荷由江水源熱泵承擔。綜合考慮傳熱性能、水系統水力平衡、水泵功耗和冷凝器換熱面積等因素,采用W形樁基埋管,經測試其單位埋深放熱量為83.05 W/m,取熱量為62.49 W/m;計算放熱量、取熱量時對應的土壤初始溫度均為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25 m,即從地下11 m到地下36 m。根據該工程的樁群布置情況和地源熱泵系統實際的運行情況,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個樁基)進行土壤溫度場的數值模擬。計算采用的數學模型中只考慮土壤導熱(忽略土壤中的水分遷移),為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平面為計算區域。網格劃分結果如圖2所示,節點總數約為220 000。                   2.2　計算模型及參數設置     采用二維、無限大、均質、無內熱源、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,肯定會引入一定的誤差。如果是研究少數幾個樁基短時間內的傳熱性能,必須采用三維模擬;本文是研究一個典型區域的樁基長時間的傳熱性能,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區域的溫度場長期變化規律的原因。     固體非穩態導熱采用以下的基本方程:                  式中t為土壤溫度,℃;τ為時間,s;a為土壤導溫系數,m2/s,a=λ/(ρc),其中λ為土壤導熱系數,W/(m·K),ρ為土壤密度,kg/m3,c為土壤比熱容,J/(kg·K)。     土壤物性參數按照砂質粉土取值,其導熱系數為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℃。土壤遠邊界設定為等溫邊界,對稱面上采用物理量法向輸運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關閉,即系統啟停比為1;空調運行季為5~9月(5個月,計150 d),供暖運行季為12,1,2月(3個月,計90 d),其余月份為土壤溫度恢復期。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,在研究中通過編制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%作為夏季負荷(考慮到一般情況下,夏季空調平均日負荷為設計日負荷的65%左右)。根據冷熱負荷不平衡率一般小于20%的經驗范圍,對上述兩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中兩個典型點在整個空調季→恢復季→供暖季→恢復季中(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,與熱泵運行工況同步變化;而4個樁基的對角中心點的溫度變化明顯滯后,在兩個恢復季均呈現出部分反向變化的效應(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,這表明過渡季對于土壤溫度的恢復作用十分有限,熱泵系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土壤取熱的過程中,土壤溫度逐月降低。在空調季,土壤每個月的溫升是不同的,溫升幅度逐漸減小;5個月的空調季運行期滿后,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個月的供暖季運行期滿后,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土壤平均溫度修正的取、放熱量與設計取、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的放熱效率優于工況1,而其取熱效率略差于工況1,可見冷熱負荷不平衡率越大,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,冬季之后的恢復季末的土壤溫度,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℃),穩定后的溫升速率為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℃。從而表明土壤尚未出現明顯的熱屏障帶危害,可以保證熱泵系統穩定運行10 a以上。工況2中,冬季之后的恢復季末的土壤溫度,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℃),穩定后的溫升速率為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℃。從而表明此工況可確保系統長期穩定運行。                   圖8表明由于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,實際換熱量總是小于設計負荷值。由于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　地溫的恢復特性主要取決于土壤熱物性、管群布置、系統啟停比、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于地溫恢復,可實現地源熱泵系統經濟節能運行的目的。     4.4　可通過采用復合式地源熱泵系統(在常規地源熱泵系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復,確保地源熱泵系統長期穩定運行。故需深入研究復合式地源熱泵系統的負荷分擔率、控制策略和運營管理機制。     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,如系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,張素云.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-土壤源熱泵系統(SESHPS)交替運行性能的數值模擬[J].熱科學與技術, 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.群井地下換熱系統初溫和構造因素影響傳熱的研究[J].熱科學與技術,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值模擬[J].暖通空調,2006,36(2):11-14

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