土壤源熱泵地埋管群動態(tài)負荷模擬換熱性能分析

張淵博

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710043）

0 引言

土壤源熱泵在國外起步較早，進入20 世紀90年代，土壤源熱泵的應用和發(fā)展進入了一個新的發(fā)展階段。土壤源熱泵在歐美的熱泵裝置市場占有份額大約是3%，每年見諸報道的土壤源熱泵實際應用工程項目和研究報告不斷增加，而且在1993年成立了國際土壤源熱泵協(xié)會（IGSHPA）。主要研究工作集中在埋管換熱器的換熱機理、強化換熱及熱泵系統(tǒng)與埋地換熱器匹配和安裝布置技術等方面[1,2]，而且同時研究不同熱物性的回填材料對地下?lián)Q熱器的影響。目前，以歐美為主要代表的土壤源熱泵系統(tǒng)市場的主要研究工作，已經(jīng)轉向了土壤源熱泵系統(tǒng)與整個空調(diào)系統(tǒng)的結合運行的研究及商業(yè)化、市場化中一些亟待克服問題的解決。

相對于土壤源熱泵在國外的迅猛發(fā)展，我國對于土壤源熱泵系統(tǒng)的研究與應用起步較晚。國內(nèi)最早的土壤源熱泵系統(tǒng)研究開始于上世紀八十年代，但也僅僅是最近十幾年才出現(xiàn)大規(guī)模的研究和應用。同濟大學進行了為期多年的一項土壤-太陽負荷熱源的研究，其主要針對長江中下游地區(qū)含水率較高的土壤的蓄熱放熱特性進行測試。同期，在同濟大學自建的大型土壤源熱泵實驗臺上進行了冬季供熱等方面的研究[3]。山東建筑大學從冷熱平衡的角度定性給出了只有在建筑冷熱負荷基本平衡的地區(qū)使用地源熱泵的資源價值最高[4]。土壤源熱泵技術在我國雖然起步較晚，但是前景非常廣闊。而且隨著熱泵及其各種動力裝置的研究制造和熱泵系統(tǒng)的試驗研究工作的深入開展，熱泵技術將在我國的建筑領域得到越來越廣泛的應用，在建筑節(jié)能以及環(huán)境保護等工作中都將發(fā)揮日益重大的作用。

在土壤源熱泵地埋管換熱器的設計與研究中，其地下?lián)Q熱器的換熱能力是關鍵所在，現(xiàn)階段地埋管換熱研究大部分僅限于單根管，規(guī)模以上的管群換熱研究很少。本文針對這一問題，利用CFD 技術，建立了土壤源熱泵地埋管換熱器五根管群流固耦合全尺寸三維傳熱動態(tài)模型，結合實際工程的動態(tài)負荷對夏季放熱和冬季吸熱工況進行了一年期和十年期變負荷間歇動態(tài)模擬，分析了全年冷、熱負荷平衡時管群之間的熱干擾影響及土壤體溫度變化情況。

1 土壤源熱泵地埋管換熱器管群換熱模型的建立

1.1 模型建立所需的假設

地埋管換熱器的換熱是一個復雜的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱，傳熱過程涉及到對流換熱、導熱，且影響傳熱的因素繁多而復雜。欲精確模擬實際工況并求解的難度非常大，為了簡化起見，對傳熱模型作如下假設[5,6]：

（1）巖土是均勻的；

（2）認為埋管周圍是無限大空間，埋管所處區(qū)域同一深度大地原始溫度一致且不考慮地面換熱；

（3）巖土和回填材料熱物理參數(shù)不變；

（4）不考慮熱濕遷移的影響；

（5）忽略管壁與回填材料、回填材料與鉆孔壁的接觸熱阻。

1.2 幾何模型的建立

本文根據(jù)實際情況建立了同實際單U 型管地下?lián)Q熱器形狀完全相同的大小比例為1:1 的三維模型。整個模型由三大部分組成：U 型管內(nèi)循環(huán)流體，回填材料和土壤。U 型管外徑0.032m，管長100m；回填井深103m，半徑0.09m，五個回填井呈十字布置，周圍四個鉆孔與中心鉆孔的中心距5m，土壤半徑10m。整個模型如圖1、圖2所示。

圖1 模型剖面尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of model section size

圖2 模型平面示意圖Fig.2 Schematic diagram of model plan

2 地埋管換熱器的設計

2.1 工程概況及全年動態(tài)負荷計算

該建筑位于西安市，建筑面積3176m，地上三層；建筑房間功能：辦公室、宿舍（高標準）、餐廳等；熱源形式：土壤源熱泵系統(tǒng)。

運用DeST 軟件計算該建筑動態(tài)負荷，全年冷熱負荷情況如圖3、圖4所示。

圖3 建筑全年逐時熱負荷Fig.3 Hourly heat load of building throughout the year

圖4 建筑全年逐時冷負荷Fig.4 Hourly cooling load of building throughout the year

2.2 地埋管換熱器設計

地埋管換熱器的長度應能滿足地源熱泵系統(tǒng)最大釋熱量和最大吸熱量的要求，即設計的地埋管埋深對應的峰值每延米換熱量在要求的范圍內(nèi)，還應同時滿足熱泵機組長期運行的要求，也就是累計釋熱量和吸熱量的要求[7]。

結合西安地區(qū)氣候特點，為保證室內(nèi)舒適性，該系統(tǒng)夏季的運行時間為5月1日至9月30日，冬季的運行時間參照西安冬季供暖時間，為11月15日至次年3月15日。

根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)最大釋熱量和吸熱量的計算公式計算出該土壤源熱泵系統(tǒng)全年的累計釋熱量和吸熱量分別為210836.11kW、208696.23kW。為保證系統(tǒng)長期運行后土壤的溫度不明顯變化，采取冬季完全由土壤源熱泵系統(tǒng)從地下取熱供暖，對夏季冷負荷進行調(diào)峰處理，以保證冬夏季取熱量和釋熱量達到平衡，夏季峰值的釋熱量削減部分由冷卻塔承擔的方案。平衡后的冬夏季吸熱量和釋熱量及土壤源熱泵系統(tǒng)需要承擔的建筑負荷如表1所示，冷卻塔冷卻水承擔的建筑負荷為1788.63kW，峰值負荷為167.69kW。

表1 冷熱平衡后地埋管承擔的釋熱吸熱量及所承擔建筑月負荷統(tǒng)計Table 1 Statistics of heat release and heat absorption by buried pipes and monthly load of building after balance of cooling load and heat load

計算時按《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》的規(guī)定：夏季運行期間，地埋管換熱器的出口最高溫度宜低于33℃；冬季運行期間，不添加防凍劑的地埋管換熱器進口最低溫度宜高于4℃。該建筑所需要的土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的埋管數(shù)為50根，夏季最大巖土延米換熱量為44.93W/m，冬季最大巖土延米換熱量為39.36W/m。

3 地埋管換熱器管群數(shù)值模擬及分析

3.1 系統(tǒng)參數(shù)設置

地埋管換熱系統(tǒng)傳熱過程包括管中流體的對流換熱、管壁的導熱、管壁與回填材料及回填材料中的導熱、回填材料與土壤及土壤中的導熱。其流場、溫度場求解涉及質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程等。本文選用Fluent 軟件進行動態(tài)計算分析。

模擬對象的物性參數(shù)參照在西安長安區(qū)進行熱響應實驗所測得，具體數(shù)值如表2所示。

表2 物性參數(shù)Table 2 Thermophysical property parameters

經(jīng)過實地勘測，管內(nèi)流體及周圍土壤的初始溫度為289.4K。模型中的加熱體加熱量根據(jù)動態(tài)負荷計算設定。

3.2 一年期變負荷間歇運行計算分析

土壤源熱泵全年運行為非穩(wěn)態(tài)過程，主要分析土壤源熱泵系統(tǒng)間歇運行一年的地埋管換熱性能的變化，包括管群內(nèi)不同地埋管的換熱差異以及延米換熱情況。計算時間從第一年的5月1日起至次年的4月30日，步長為1 天。管內(nèi)流體速度穩(wěn)定在0.62m/s，初始溫度為289.4K。

由于熱干擾影響，中心地埋管換熱器與周圍四根地埋管換熱器管內(nèi)流體溫度是不相同的，流體溫差如圖5所示。該地埋管系統(tǒng)的單根埋管天平均延米換熱量變化如圖6所示。

圖5 1#井與2#井地埋管換熱器流體的進口溫差變化圖Fig.5 Inlet temperature difference of ground heat exchanger fluid in well 1#and well 2#

圖6 地埋管換熱器天平均延米換熱量變化圖Fig.6 Heat exchange rate of ground heat exchanger per linear meter per day over time

由圖5可見，隨著系統(tǒng)運行的持續(xù)進行，開始出現(xiàn)熱干擾現(xiàn)象，中心地埋管換熱器的流體進口溫度也相應高于周圍四根地埋管換熱器，直到夏季運行后的間歇期最后一天，溫差達到最大值0.5544K。然后隨著冬季供暖工況的進行，1#管井與2#管井地埋管換熱器流體進口溫差逐漸減小，進入間歇期后，2#管井地埋管換熱器的流體溫度因為其周邊土壤的溫度恢復速度快于1#管井周圍土壤，而高于1#管井地埋管換熱器流體溫度，間歇期結束時兩者溫差最大，為-0.1683K。由圖6可見，夏季8月1日最大天平均延米換熱量為45.18W/m，冬季1月12日最大延米換熱量為-27.55W/m。

3.3 十年期變負荷間歇運行計算分析

為了與工程實際更加貼近，對該管群系統(tǒng)進行十年期變負荷間歇運行模擬計算。為方便模擬計算，以一月為計算步長，地埋管承擔的釋熱量與吸熱量以月平均計。

由于存在熱干擾影響，中心地埋管換熱器與周圍四根地埋管換熱器管內(nèi)流體溫度是不相同的，1#井地埋管換熱器與2#井地埋管換熱器流體的進口溫差變化如圖7所示。十年期變負荷間歇運行120個月的土壤體溫度變化如圖8所示。

圖7 1#井與2#井地埋管換熱器流體的進口溫差變化圖Fig.7 Ten-year change of inlet temperature difference of ground heat exchanger fluid in well 1#and well 2#

圖8 十年期變負荷間歇運行土壤體平均溫度變化圖Fig.8 Ten-year change of average ground temperature under intermittent operation with variable load

由圖7可見，由于管井間的熱干擾影響，1#管井與2#管井地埋管換熱器的流體進口溫差變化呈震蕩波曲線。受第一年系統(tǒng)運行結束土壤溫度不能恢復到初始289.4K 的影響，兩根地埋管內(nèi)流體第一年的溫差正向幅度最大，負向幅度最小，然后逐年的溫差正向幅度減小，溫差負向幅度增大，直到溫差基本穩(wěn)定，正向穩(wěn)定在0.2758K 左右，負向穩(wěn)定在-0.2605K 左右。從圖8可以看出第一年土壤體的最高溫度和最低溫度都高于第二年，然后依次逐漸降低，直到趨于平衡。由此可以看出土壤體的內(nèi)部熱量變化基本平衡，隨著土壤源熱泵系統(tǒng)的長期運行不會對土壤的溫度環(huán)境造成較大的改變。土壤十年的平均溫度仍略高于土壤初始溫度，平均溫度為289.4419K，溫升為0.0419K。

4 結論

（1）通過建立全尺寸五根地埋管管群數(shù)值模型，可以更加貼近工程實際的進行長周期變負荷的動態(tài)數(shù)值模擬，以便為工程設計提供參考。

（2）雖然管群的各個地埋管之間存在熱干擾影響，但是經(jīng)過長期的運行模擬計算后發(fā)現(xiàn)熱干擾對管內(nèi)流體的溫度變化影響比較小，不會影響系統(tǒng)的換熱性能。

（3）在冬季吸熱量和夏季放熱量基本平衡的情況下，系統(tǒng)越長時間的運行，土壤體運行周期內(nèi)的平均溫度變化會越小，其對整個土壤的熱環(huán)境的影響越小。