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地源热泵土壤温度恢复特性研究

工程的换热器管群的布置情况和地源热泵系统的运行情况,对典型区域典型年和运行5年的土壤温度变化情况进行了数值模拟,并对模拟结果进行了深入分析,所得结论可为地源热泵系统的优化设计提供参考。     关键词：地源热泵　土壤温度恢复　冷热负荷不平衡率     0　引言     土壤温度场的恢复特性是判定地源热泵系统长期稳定运行的重要依据,土壤温度的恢复有利于机组运行过程中降低冷凝温度(夏季)和提高蒸发温度(冬季),从而可有效提高机组运行的性能系数COP和降低功耗。     刘宪英等人按径向和管长方向建立了二维传热模型,计算了过渡季(春季)土壤温度场的恢复情况;针对浅埋(10 m深)套管式换热器,对3 m,6m,9 m埋深套管外壁3个典型点处的土壤温度变化规律进行了模拟计算,模拟值与实测值吻合较好[1]。     杨卫波等人给出了土壤温度恢复率ζ的定义式:ζ=(t′-t)/(ti-t),其中ti为土壤原始温度,t为热泵停止运行时的土壤温度,t′为计算时刻(即土壤温度场恢复后)的土壤温度。土壤温度恢复率可表征土壤温度的恢复状况[2]。     李新国等人采用专业多孔介质计算软件Autough2,对天津地区一实际应用的地源热泵U形竖直埋管换热器管群周围的土壤温度场进行了为期30 a的模拟计算。计算区域尺寸为42 m×21m。在不同土壤物性对单根换热器土壤温度影响的模拟结果基础上,着重模拟研究了U形竖直埋管换热器管群在只有取热、只有排热单季运行工况下和既有取热又有排热的双季运行工况下的土壤温度变化情况[3]。     高青等人在群井多热源体系中,根据柱热源模型,利用有限元传热分析计算平台,求解了系统吸热过程引起的埋管周围土壤温度场的变化情况,探讨了初始温度、排列布置形式(顺排、叉排)、热负荷强度及井径等对周围温度场分布的影响。模拟区域为一8 m×8 m的典型单元。研究结果表明,土壤初始温度是地源热泵运行的重要影响因素;在相同的热负荷下,小井径的热流密度大,温度场变化剧烈;大井径的温度场变化相对平缓,但更易于发生井间传热交互影响[4]。     赵军等人以南京一实际地源热泵系统为例,对大面积密集型桩埋换热器管群周围土壤的换热特性进行了为期6 a的数值模拟。计算区域尺寸为116.73 m×72.33 m。提出了土壤换热中热屏障的概念。长期运行中,热屏障带的温度增长速率要高于土壤平均温度的增长速率,建议从负荷平衡和热屏障两个角度进行分析,以保证地源热泵系统稳定可靠地运行[5]。     本文在已有研究成果的基础上,针对大规模地源热泵土壤温度场的恢复特性作进一步深入分析。     1　工程概况     上海某地源热泵实际工程,其所在地块的尺寸为1 000 m×100 m,采用桩基式地源热泵系统承担30%的系统总冷负荷,其余负荷由江水源热泵承担。综合考虑传热性能、水系统水力平衡、水泵功耗和冷凝器换热面积等因素,采用W形桩基埋管,经测试其单位埋深放热量为83.05 W/m,取热量为62.49 W/m;计算放热量、取热量时对应的土壤初始温度均为18.2℃。     该工程结构桩位典型模块如图1所示,桩基的有效埋深为25 m,即从地下11 m到地下36 m。根据该工程的桩群布置情况和地源热泵系统实际的运行情况,对地源热泵桩基埋管典型区域温度场进行数值模拟研究。                   2　模型描述     2.1　模拟对象     根据图1所示的基本单元桩基布置图,取其中的10组×10组(约800个桩基)进行土壤温度场的数值模拟。计算采用的数学模型中只考虑土壤导热(忽略土壤中的水分迁移),为在现有计算机上实现有效的长时间模拟,采用二维简化区域,且考虑到物理上的对称性,取其中的1/4平面为计算区域。网格划分结果如图2所示,节点总数约为220 000。                   2.2　计算模型及参数设置     采用二维、无限大、均质、无内热源、非稳态导热模型,忽略沿土壤深度方向热流变化的影响。二维模拟是对三维模拟的简化,肯定会引入一定的误差。如果是研究少数几个桩基短时间内的传热性能,必须采用三维模拟;本文是研究一个典型区域的桩基长时间的传热性能,进行二维模拟所涉及的网格数目和模拟计算量已经很大,再加上要考察土壤温变的长期效应,因而进行了适当的简化。这或许也是以往的数值模拟研究者[3-5]采用二维模拟研究一个区域的温度场长期变化规律的原因。     固体非稳态导热采用以下的基本方程:                  式中t为土壤温度,℃;τ为时间,s;a为土壤导温系数,m2/s,a=λ/(ρc),其中λ为土壤导热系数,W/(m·K),ρ为土壤密度,kg/m3,c为土壤比热容,J/(kg·K)。     土壤物性参数按照砂质粉土取值,其导热系数为1.3 W/(m·K),密度为1 847 kg/m3,比热容为1 200 J/(kg·K)。土壤初始温度取18.2℃。土壤远边界设定为等温边界,对称面上采用物理量法向输运等于零的对称边界条件。PE管所在位置壁面采用热流型边界条件。热泵9:00启动,21:00关闭,即系统启停比为1;空调运行季为5~9月(5个月,计150 d),供暖运行季为12,1,2月(3个月,计90 d),其余月份为土壤温度恢复期。常规的CFD数值模拟软件无法实现土壤换热的按日、按运行季周期性地变换边界条件,因此,在研究中通过编制CFD接口程序实现了上述周期性条件的顺利导入。     根据W形换热器测试结果,分别选择夏季测试大负荷的65%和55%作为夏季负荷(考虑到一般情况下,夏季空调平均日负荷为设计日负荷的65%左右)。根据冷热负荷不平衡率一般小于20%的经验范围,对上述两种负荷强度分别设定了10%和3%的不平衡率,见表1。                   3　模拟结果     3.1　典型区域典型年土壤温度变化模拟研究     3.1.1　典型点温度的年变化     图3给出了工况1中两个典型点在整个空调季→恢复季→供暖季→恢复季中(1 a)的温度连续变化过程。桩基中心点的温度变化对负荷的响应几乎是即时的,与热泵运行工况同步变化;而4个桩基的对角中心点的温度变化明显滞后,在两个恢复季均呈现出部分反向变化的效应(夏季之后仍在升高,冬季之后仍在降低)。土壤平均温度正是这两种典型点温度变化趋势综合作用的结果。大部分区域土壤温度具有桩基对角中心点的温度特点,这表明过渡季对于土壤温度的恢复作用十分有限,热泵系统的可靠运行更主要是依赖冬季和夏季的负荷平衡。                    3.1.2　土壤平均温度的年变化     由图4可知,夏季桩基埋管换热器向土壤放热的过程中,土壤温度逐月升高;冬季桩基埋管换热器从土壤取热的过程中,土壤温度逐月降低。在空调季,土壤每个月的温升是不同的,温升幅度逐渐减小;5个月的空调季运行期满后,工况1和工况2的土壤平均温度分别升高了约6.1℃和5.32℃。在3个月的供暖季运行期满后,工况1和工况2的土壤平均温度分别降低了5.2℃和5.25℃。工况1的土壤冬、夏温度变化差距较大;工况2的冬、夏负荷几乎平衡,土壤夏季温升与冬季温降大致相等。                   定义换热效率为根据土壤平均温度修正的取、放热量与设计取、放热量的比值。由图5,6可知,夏季随着土壤温度的逐渐升高,地源热泵的换热效率逐渐下降;冬季随着土壤温度的逐渐降低,地源热泵的换热效率也逐渐下降。工况2的放热效率优于工况1,而其取热效率略差于工况1,可见冷热负荷不平衡率越大,越有利于冬季工况,越不利于夏季工况。                   3.2　典型区域运行5 a土壤温度变化模拟研究                   图7给出了每年土壤平均温度的变化曲线。模拟预测结果表明,工况1中,冬季之后的恢复季末的土壤温度,5 a的总温升约为2.77℃(第1~5年的温升分别为0.87,0.65,0.43,0.41,0.41℃),稳定后的温升速率为0.41℃/a;第1~5年夏季运行结束时土壤高温度分别升高了6.10,6.82,7.37,7.88,8.39℃。从而表明土壤尚未出现明显的热屏障带危害,可以保证热泵系统稳定运行10 a以上。工况2中,冬季之后的恢复季末的土壤温度,5 a的总温升约为0.81℃(第1~5年的温升分别为0.28,0.16,0.14,0.12,0.11℃),稳定后的温升速率为0.11℃/a;第1~5年夏季运行结束时土壤高温度分别升高了5.32,5.47,5·65,5.83,6.02℃。从而表明此工况可确保系统长期稳定运行。                   图8表明由于夏季热泵运行时土壤温度的升高,地下换热器的换热温差逐年下降,因此,实际换热量总是小于设计负荷值。由于土壤吸放热的不平衡,冬季热泵运行时的土壤平均温度逐年上升,使地下换热器获得有利的换热“势差”,因此,其冬季平均换热效率逐年上升。     4　结论                  4.1　桩基周围的土壤温度场经历着“升温→降温→升温”的周期性变化过程,不同位置的温度场差异主要反映在振幅的衰减及相位的延迟上。     4.2　冷热负荷不平衡率越大,越有利于冬季工况,越不利于夏季工况。      4.3　地温的恢复特性主要取决于土壤热物性、管群布置、系统启停比、冷热负荷强度和冷热负荷不平衡率等。在其他条件不变时,合理的冷热负荷强度和较小的冷热负荷不平衡率有利于地温恢复,可实现地源热泵系统经济节能运行的目的。     4.4　可通过采用复合式地源热泵系统(在常规地源热泵系统基础上增设冷却塔)或者选用带热回收功能的主机等方式来调节负荷不平衡率,促进土壤温度场的恢复,确保地源热泵系统长期稳定运行。故需深入研究复合式地源热泵系统的负荷分担率、控制策略和运营管理机制。     4.5　本文的结论是在一定简化条件下得出的,还有一些问题需要进一步分析,如系统负荷的随机性和波动性(负荷强度、负荷不平衡率和启停比等)及采用二维模型等对结果造成的影响。 参考文献: [1]刘宪英,张素云.地热源热泵冬夏暖冷联供试验研究[J].水利电力施工机械, 2000,21(1):14-22 [2]杨卫波,施明恒,董华.太阳能-土壤源热泵系统(SESHPS)交替运行性能的数值模拟[J].热科学与技术, 2005,4(3):228-232 [3]李新国,赵军,周倩.U型垂直埋管换热器管群周围土壤温度数值模拟[J].太阳能学报,2004,25(5):703-707 [4]高青,李明,闫燕.群井地下换热系统初温和构造因素影响传热的研究[J].热科学与技术,2005,4(1):34-40 [5]赵军,王华军.密集型桩埋换热器管群周围土壤换热特性的数值模拟[J].暖通空调,2006,36(2):11-14

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