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)的運行情況,對典型區(qū)域典型年和運行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)定運行的重要依據(jù),土壤溫度的恢復(fù)有利于機(jī)組運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個典型點處的土壤溫度變化規(guī)律進(jìn)行了模擬計算,模擬值與實測值吻合較好[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為熱泵停止運行時的土壤溫度,t′為計算時刻(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)計算軟件Autough2,對天津地區(qū)一實際應(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的模擬計算。計算區(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(jù)柱熱源模型,利用有限元傳熱分析計算平臺,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)域為一8 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角度進(jìn)行分析,以保證地源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行[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;計算放熱量、取熱量時對應(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)實際的運行情況,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個樁基)進(jìn)行土壤溫度場的數(shù)值模擬。計算采用的數(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)有計算機(jī)上實現(xiàn)有效的長時間模擬,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平面為計算區(qū)域。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示,節(jié)點總數(shù)約為220 000。                   2.2　計算模型及參數(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)幾個樁基短時間內(nèi)的傳熱性能,必須采用三維模擬;本文是研究一個典型區(qū)域的樁基長時間的傳熱性能,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(fù)期。常規(guī)的CFD數(shù)值模擬軟件無法實現(xiàn)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?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(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。樁基中心點的溫度變化對負(fù)荷的響應(yīng)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(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的溫度特點,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,土壤每個月的溫升是不同的,溫升幅度逐漸減小;5個月的空調(diào)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(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年夏季運行結(jié)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(xiàn)明顯的熱屏障帶危害,可以保證熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運行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年夏季運行結(jié)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(tǒng)長期穩(wěn)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?lián)Q熱器的換熱溫差逐年下降,因此,實際換熱量總是小于設(shè)計負(fù)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?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,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),可實現(xiàn)地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)節(jié)能運行的目的。     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,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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