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(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院 許楊 華中科技大學(xué) 沈國(guó)民 鄒立成 李學(xué)文 摘要:本文對(duì)某辦公樓進(jìn)行全年的能耗模擬分析和整個(gè)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行2年的模擬。在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下,對(duì)半徑為2.5m 的地埋管土壤區(qū)域在供熱期間以及停機(jī)期間進(jìn)行溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬。結(jié)果表明,土壤溫度變化幅度由中心向遠(yuǎn)端逐漸減小,機(jī)組停機(jī)后的前5天內(nèi)土壤溫度恢復(fù)較快,而后逐漸變慢。關(guān)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(duì)土壤源熱泵進(jìn)行研究具有很大的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,而地埋管換熱器的傳熱過(guò)程與地下土壤溫度場(chǎng)的變化是土壤源熱泵的關(guān)鍵技術(shù)之

2、一1。因此研究地埋管換熱器的換熱情況、土壤溫度場(chǎng)的變化情況顯得尤為重要。本文首先通過(guò)EnergyPlus 對(duì)一棟建筑進(jìn)行能耗模擬,然后通過(guò)Fluent 軟件建立三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,對(duì)地源熱泵冬季工況土壤溫度變化進(jìn)行模擬2,得到動(dòng)態(tài)負(fù)荷時(shí)絕熱邊界條件下土壤溫度場(chǎng)的變化情況。同時(shí)也對(duì)機(jī)組停機(jī)后,土壤溫度恢復(fù)情況進(jìn)行模擬與分析,以期為實(shí)際工程提供指導(dǎo)。 2 建筑能耗及地源熱泵系統(tǒng)模擬本文模擬對(duì)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(huì)議室等。該建筑層高為3.5m ,南北墻長(zhǎng)45.72m ,東西墻長(zhǎng)30.48m ,總建筑面積為4180.5m 2。該建筑夏季

3、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為2628,相對(duì)濕度設(shè)計(jì)為4065%;冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為1822。根據(jù)溫度的一致性,對(duì)該建筑進(jìn)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(gè)區(qū),總共15個(gè)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(shè)備環(huán)路采用水-水熱泵機(jī)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(shè)定溫度為26;冬季采暖設(shè)定溫度為20。由于各分區(qū)的滲透風(fēng)與風(fēng)速成比例,模擬中按照EnergyPlus 默認(rèn)0.25次/小時(shí)的換氣次數(shù)來(lái)計(jì)算。建筑的全年冷熱負(fù)荷如下圖2所示。 圖2建筑全年冷熱負(fù)荷圖 圖3地埋管進(jìn)口水溫變化圖由圖2中的計(jì)算結(jié)果可知:全年最大冷熱負(fù)荷分別為275kw 、

4、200kw 左右。該建筑的冷熱負(fù)荷峰值之比約為1.375。全年最大冷、熱負(fù)荷面積指標(biāo)分別為66.7w/m 2和47.84w/m 2,冷、熱負(fù)荷大部分集中在68、122月之間。對(duì)整個(gè)建筑空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行為期2年的能耗及系統(tǒng)模擬,得到地埋管的進(jìn)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(duì)地埋管換熱器進(jìn)行建模,為了建模和方便劃分網(wǎng)格,沿土壤深度方向?qū)⒌芈窆苣Ｐ头譃槿糠?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(duì)稱性,本文選取2-到2的半圓柱形區(qū)域進(jìn)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(dòng)態(tài)模擬結(jié)果及分析本文主要是對(duì)運(yùn)行在冬季工況下的土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真。仿真模擬的時(shí)間段為11月20日至次年3月23日。其中設(shè)定地埋管側(cè)水泵與熱泵機(jī)組一樣運(yùn)行時(shí)間為7:0017:00。該建筑所需的室外管井?dāng)?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(yùn)行,經(jīng)過(guò)為期一年的模擬可以得知,在第一年的冬季開(kāi)始時(shí),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(guò)程中,選用的時(shí)間步長(zhǎng)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(shí),通過(guò)UDF 來(lái)定

6、義進(jìn)口的速度與溫度參數(shù);若監(jiān)測(cè)到當(dāng)前步長(zhǎng)的速度為0.00001m/s 時(shí),則讀取出口面的溫度值然后直接賦予進(jìn)口。在Fluent 中按到中心的距離共設(shè)置如下12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn): 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(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。4.1 供熱期間的土壤溫度場(chǎng)分析根據(jù)以上的計(jì)算模型,在絕熱邊界條件下 對(duì)間歇運(yùn)行的地源熱泵系統(tǒng)供熱期間的土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算

7、和分析4,可得到土壤溫度的分布。圖6為模擬計(jì)算時(shí)間1月21日00:15時(shí)的土壤溫度分布。在絕熱邊界下的整個(gè)土壤溫度場(chǎng)均受到影響。離地埋管較近的區(qū)域溫度下降越快,遠(yuǎn)端相對(duì)下降較慢,整個(gè)土壤的溫度 分布比較均勻。從遠(yuǎn)端到中心,溫度梯度逐漸增大,土壤遠(yuǎn)端與中心的溫差為0.65,遠(yuǎn)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(méi)有外界的熱量補(bǔ)充,隨著熱負(fù)荷的不斷增大,地埋管的取熱量逐漸增多,整個(gè)土壤的熱量從遠(yuǎn)端向中心傳遞,進(jìn)而土壤整體溫度逐漸下降。Fluent 中設(shè)置的12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在絕熱邊界條件下的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可以看出,由中心向遠(yuǎn)端各點(diǎn)的

8、溫度變化范圍越來(lái)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(méi)有熱量補(bǔ)充進(jìn)來(lái),因此隨著地埋管不斷從地下取熱,熱量從遠(yuǎn)端向中心傳遞,各個(gè)點(diǎn)溫度就會(huì)有不同程度的下降。遠(yuǎn)端溫度在1月23日時(shí)已下降至21.4,中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度則在19.85附近變化,在機(jī)組運(yùn)行時(shí)不斷下降,停機(jī)時(shí)則緩慢恢復(fù)。而遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)際情況也與絕熱邊界更加吻合。 4.2 停機(jī)期間地下土壤溫度場(chǎng)分析機(jī)組停機(jī)后,土壤溫度開(kāi)始逐漸恢復(fù)并趨于相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)絕熱邊界條件下的土壤溫度恢復(fù)情況進(jìn)行模擬分析,得到土壤溫度恢復(fù)變化如圖9和圖10所示。從圖9和圖10可以看出在經(jīng)過(guò)

9、10天恢復(fù),絕熱邊界條件下的遠(yuǎn)端與中心土壤溫度差從停機(jī)前 的0.65到停機(jī)4天后的0.2再到停機(jī)10天的0.05。熱量由遠(yuǎn)端向中心傳遞,土壤溫差越來(lái) 越小。在絕熱邊界條件下的遠(yuǎn)端溫度在不斷下降,整體土壤溫度較低。經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)后,整個(gè)區(qū)域的土壤溫度會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定值。各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在絕熱邊界條件下停機(jī)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)停機(jī)期間溫度變化情況可以看出,P1P3點(diǎn)溫度在停機(jī)后迅速上升,P4P7點(diǎn)溫度則先下降后上升,P8P12點(diǎn)溫度則一直下降,在停機(jī)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(cè)點(diǎn)溫度逐漸

10、上升,界外的監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度逐漸下降,且離圓越遠(yuǎn)的點(diǎn)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(guò)足夠長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間后,整個(gè)區(qū)域的土壤溫圖9 停機(jī)6天水平截面溫度分布 圖10 停機(jī)10天水平截面溫度分布圖11 停機(jī)期間各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化圖12 停機(jī)期間各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化圖13 停機(jī)期間土壤溫度變化圖圖7 供熱期間各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化 圖8 供熱期間各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化度最后將基本成一直線。從土壤的溫度恢復(fù)過(guò)程中說(shuō)明,實(shí)際工程很有必要為土壤溫度的恢復(fù)提供一定的時(shí)間,而機(jī)組在冬季工況間歇運(yùn)行能滿足這點(diǎn)要求。土壤溫度的恢復(fù)不僅能提高機(jī)組運(yùn)行效率,也避免了地埋管換熱器因冬季土壤溫度過(guò)低失去換熱能力。5 結(jié)論

11、通過(guò)對(duì)供熱期間(11月20日至次年3月23日以及停機(jī)期間絕熱邊界條件下的土壤溫度場(chǎng)的模擬分析,得到如下結(jié)論:(1地埋管出口溫度和土壤溫度的下降幅度隨著熱負(fù)荷增大而增大。土壤溫度的變化幅度由中心向遠(yuǎn)端逐漸減小。絕熱邊界條件下,整個(gè)土壤區(qū)域溫度是不斷下降的。(2機(jī)組停機(jī)后的前4、5天內(nèi)土壤溫度恢復(fù)較快,隨著停機(jī)時(shí)間的不斷增加,土壤溫度恢復(fù)越來(lái)越慢。熱量由遠(yuǎn)端向中心傳遞,土壤溫差越來(lái)越小。絕熱邊界條件下,遠(yuǎn)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(gè)穩(wěn)定中間值。各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度極小值出現(xiàn)的時(shí)間會(huì)由近及遠(yuǎn)出現(xiàn)不同程度的延遲,延遲時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于離孔壁的距離。參考文獻(xiàn)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(dòng)態(tài)特性與能耗分析研究D. 上海: 同濟(jì)大學(xué), 2001.3