地源熱泵冬季工況土壤溫度變化特性研究_圖文

1、 圖1 模擬建筑外觀模型地源熱泵冬季工況土壤溫度變化特性研究中國建筑西南設計研究院 許楊 華中科技大學 沈國民 鄒立成 李學文 摘要:本文對某辦公樓進行全年的能耗模擬分析和整個地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行進行2年的模擬。在動態(tài)負荷下,對半徑為2.5m 的地埋管土壤區(qū)域在供熱期間以及停機期間進行溫度場的數(shù)值模擬。結果表明,土壤溫度變化幅度由中心向遠端逐漸減小,機組停機后的前5天內(nèi)土壤溫度恢復較快,而后逐漸變慢。關鍵詞:地源熱泵 數(shù)值模擬 地埋管1 引言土壤源熱泵具有良好的節(jié)能與環(huán)境效益,對土壤源熱泵進行研究具有很大的工程實際應用價值,而地埋管換熱器的傳熱過程與地下土壤溫度場的變化是土壤源熱泵的關鍵技術之

2、一1。因此研究地埋管換熱器的換熱情況、土壤溫度場的變化情況顯得尤為重要。本文首先通過EnergyPlus 對一棟建筑進行能耗模擬,然后通過Fluent 軟件建立三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,對地源熱泵冬季工況土壤溫度變化進行模擬2,得到動態(tài)負荷時絕熱邊界條件下土壤溫度場的變化情況。同時也對機組停機后,土壤溫度恢復情況進行模擬與分析,以期為實際工程提供指導。 2 建筑能耗及地源熱泵系統(tǒng)模擬本文模擬對象為武漢市某辦公建筑,如圖1所示。該建筑為南北朝向,共3層,其內(nèi)部空間主要用作辦公室、會議室等。該建筑層高為3.5m ,南北墻長45.72m ,東西墻長30.48m ,總建筑面積為4180.5m 2。該建筑夏季

3、室內(nèi)設計溫度為2628,相對濕度設計為4065%;冬季室內(nèi)設計溫度為1822。根據(jù)溫度的一致性,對該建筑進行分區(qū),按東區(qū)、南區(qū)、西區(qū)、北區(qū)、中心區(qū),每層均劃分為5個區(qū),總共15個區(qū)。該辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)采用地源熱泵系統(tǒng),室內(nèi)空調(diào)采用全空氣系統(tǒng),設備環(huán)路采用水-水熱泵機組,而冷卻水環(huán)路則采用地下環(huán)路換熱。各分區(qū)夏季空調(diào)設定溫度為26;冬季采暖設定溫度為20。由于各分區(qū)的滲透風與風速成比例,模擬中按照EnergyPlus 默認0.25次/小時的換氣次數(shù)來計算。建筑的全年冷熱負荷如下圖2所示。 圖2建筑全年冷熱負荷圖 圖3地埋管進口水溫變化圖由圖2中的計算結果可知:全年最大冷熱負荷分別為275kw 、

4、200kw 左右。該建筑的冷熱負荷峰值之比約為1.375。全年最大冷、熱負荷面積指標分別為66.7w/m 2和47.84w/m 2,冷、熱負荷大部分集中在68、122月之間。對整個建筑空調(diào)系統(tǒng)進行為期2年的能耗及系統(tǒng)模擬,得到地埋管的進口水溫變化如圖3所示。3 地埋管換熱器模型的建立本文利用Gambit 對地埋管換熱器進行建模,為了建模和方便劃分網(wǎng)格,沿土壤深度方向將地埋管模型分為三部分,如圖4所示。沿徑向則分別是回填材料、U 型管、管內(nèi)循環(huán)水以及土壤。而由于地埋管周圍的傳熱具有對稱性,本文選取2-到2的半圓柱形區(qū)域進行建模仿真3。水平面回填材料網(wǎng)格劃分如圖5所示。 圖4 地埋管模型局部示意圖

5、 圖5 水平面回填材料網(wǎng)格劃分示意圖4 動態(tài)模擬結果及分析本文主要是對運行在冬季工況下的土壤源熱泵系統(tǒng)進行動態(tài)模擬仿真。仿真模擬的時間段為11月20日至次年3月23日。其中設定地埋管側水泵與熱泵機組一樣運行時間為7:0017:00。該建筑所需的室外管井數(shù)目為80口,每口井深100米,采用DN25的PE 管(單U ,鉆孔孔徑為150mm ,每口井定水流速為0.33m/s ?？紤]到地源熱泵連續(xù)運行,經(jīng)過為期一年的模擬可以得知,在第一年的冬季開始時,絕熱邊界條件下模型的初始溫度為21.6。在地埋管的模擬過程中,選用的時間步長為15分鐘,每步最大的迭代次數(shù)為800次。在定義邊界條件時,通過UDF 來定

6、義進口的速度與溫度參數(shù);若監(jiān)測到當前步長的速度為0.00001m/s 時,則讀取出口面的溫度值然后直接賦予進口。在Fluent 中按到中心的距離共設置如下12個監(jiān)測點: P1(0.0m ,P2(0.05m ,P3(0.1m ,P4(0.25m ,P5(0.5m ,P6(0.75m ,P7(1.0m ,P8(1.25m ,P9(1.5m ,P10(1.75m ,P11(2.0m ,P12(2.2m 。利用Fluent 中的Monitor 對每個監(jiān)測點的溫度值進行實時監(jiān)測。4.1 供熱期間的土壤溫度場分析根據(jù)以上的計算模型,在絕熱邊界條件下 對間歇運行的地源熱泵系統(tǒng)供熱期間的土壤溫度場進行模擬計算

7、和分析4,可得到土壤溫度的分布。圖6為模擬計算時間1月21日00:15時的土壤溫度分布。在絕熱邊界下的整個土壤溫度場均受到影響。離地埋管較近的區(qū)域溫度下降越快,遠端相對下降較慢,整個土壤的溫度 分布比較均勻。從遠端到中心,溫度梯度逐漸增大,土壤遠端與中心的溫差為0.65,遠端土壤溫度維持在21.4,中心土壤溫度則降至20.75。這是由于絕熱邊界下的土壤沒有外界的熱量補充,隨著熱負荷的不斷增大,地埋管的取熱量逐漸增多,整個土壤的熱量從遠端向中心傳遞,進而土壤整體溫度逐漸下降。Fluent 中設置的12個監(jiān)測點在絕熱邊界條件下的溫度監(jiān)測結果如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可以看出,由中心向遠端各點的

8、溫度變化范圍越來越小,溫度波存在衰減與延遲。 由于邊界條件為絕熱,在邊界面上土壤沒有熱量補充進來,因此隨著地埋管不斷從地下取熱,熱量從遠端向中心傳遞,各個點溫度就會有不同程度的下降。遠端溫度在1月23日時已下降至21.4,中心監(jiān)測點溫度則在19.85附近變化,在機組運行時不斷下降,停機時則緩慢恢復。而遠端監(jiān)測點圖6 地下35米處地埋管水平面溫度分布的溫度則始終下降。而實際情況也與絕熱邊界更加吻合。 4.2 停機期間地下土壤溫度場分析機組停機后,土壤溫度開始逐漸恢復并趨于相對穩(wěn)定。對絕熱邊界條件下的土壤溫度恢復情況進行模擬分析,得到土壤溫度恢復變化如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可以看出在經(jīng)過

9、10天恢復,絕熱邊界條件下的遠端與中心土壤溫度差從停機前 的0.65到停機4天后的0.2再到停機10天的0.05。熱量由遠端向中心傳遞,土壤溫差越來 越小。在絕熱邊界條件下的遠端溫度在不斷下降,整體土壤溫度較低。經(jīng)過足夠長時間恢復后,整個區(qū)域的土壤溫度會趨于一個穩(wěn)定值。各個監(jiān)測點在絕熱邊界條件下停機后的溫度變化如圖11、圖12和圖13所示。由圖11、圖12絕熱邊界下各個監(jiān)測點停機期間溫度變化情況可以看出,P1P3點溫度在停機后迅速上升,P4P7點溫度則先下降后上升,P8P12點溫度則一直下降,在停機12天后土壤溫度基本趨于穩(wěn)定。從圖13可以看出,以半徑1.25m 的圓為界,界內(nèi)的監(jiān)測點溫度逐漸

10、上升,界外的監(jiān)測點溫度逐漸下降,且離圓越遠的點溫度變化越大,土壤的溫度分布也由陡峭的V形逐漸變得平緩。經(jīng)過足夠長的恢復時間后,整個區(qū)域的土壤溫圖9 停機6天水平截面溫度分布 圖10 停機10天水平截面溫度分布圖11 停機期間各監(jiān)測點溫度變化圖12 停機期間各監(jiān)測點溫度變化圖13 停機期間土壤溫度變化圖圖7 供熱期間各監(jiān)測點溫度變化 圖8 供熱期間各監(jiān)測點溫度變化度最后將基本成一直線。從土壤的溫度恢復過程中說明,實際工程很有必要為土壤溫度的恢復提供一定的時間,而機組在冬季工況間歇運行能滿足這點要求。土壤溫度的恢復不僅能提高機組運行效率,也避免了地埋管換熱器因冬季土壤溫度過低失去換熱能力。5 結論

11、通過對供熱期間(11月20日至次年3月23日以及停機期間絕熱邊界條件下的土壤溫度場的模擬分析,得到如下結論:(1地埋管出口溫度和土壤溫度的下降幅度隨著熱負荷增大而增大。土壤溫度的變化幅度由中心向遠端逐漸減小。絕熱邊界條件下,整個土壤區(qū)域溫度是不斷下降的。(2機組停機后的前4、5天內(nèi)土壤溫度恢復較快,隨著停機時間的不斷增加,土壤溫度恢復越來越慢。熱量由遠端向中心傳遞,土壤溫差越來越小。絕熱邊界條件下,遠端土壤溫度在不斷下降,中心土壤溫度不斷上升,最終整體土壤溫度將趨于一個穩(wěn)定中間值。各個監(jiān)測點的溫度極小值出現(xiàn)的時間會由近及遠出現(xiàn)不同程度的延遲,延遲時間的長短主要取決于離孔壁的距離。參考文獻1 Cenk Yavuzturk, Andrew D Chiasson. Performance analysis of U-tube, concentric tube and standing column well groundheat exchangers using a system simulation approach J. ASHRAE Trans, 2002, 108 (1:925-938.2 周亞素. 土壤熱源熱泵動態(tài)特性與能耗分析研究D. 上海: 同