地埋管群換熱冷熱負荷比和布置形式的影響

1、1 概述 利用淺層地熱能的地源熱泵技術(shù)，在我國應用已經(jīng)十分廣泛，其中絕大部分采用豎直埋管系統(tǒng)。在系統(tǒng)運行過程中，夏季，通過熱泵系統(tǒng)將建筑物產(chǎn)生的熱量輸送給大地，使建筑物的溫度降低； 冬季，通過熱泵系統(tǒng)把從地下吸收的熱量輸送給建筑物并對其進行供熱。但是在實際生產(chǎn)過程中，尤其是我國北方建筑物夏天的制冷負荷和制冷時間遠小于冬天的供暖負荷和供暖時間，南方地區(qū)的情況與之相反。在此工況下，地埋管換熱器的吸放熱是不平衡的，且多余的冷量或者熱量會在地下積累即形成所謂的“冷熱堆積”，進而改變換熱區(qū)域的溫度場分布“。同時長期的冷熱堆積會影響埋管換熱器的換熱效率，嚴重影響土壤源熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在實際工程中，影響

2、地埋管群換熱器傳熱的因素非常多，其中管群布置形式是很重要的一個因素。本文基于有限長線熱源模型，采用C語言編程，模擬計算得到豎直地埋管群 換熱器 運行10 a后地下溫度場的變化情況以及運行過程中土壤的溫度變化數(shù)據(jù)， 將模擬得到的具體數(shù)據(jù)導入Matlab軟件和Origin軟件進行繪圖，根據(jù)所得到的圖形進一步分析。2 簡化假設(shè)及傳熱模型 簡化假設(shè) 豎直地埋管實際傳熱過程十分復雜，傳熱效果受到許多因素影響，如土壤的熱物性、地埋管布置方式、埋管間距、地下水滲流等21。為便于分析求解，忽略對管群影響的次要因素，更好地從理論上進行分析，做出如下簡化假設(shè) ：a.認為地埋管換熱器在土壤中的熱量傳遞是沿徑向和軸向

3、的二維導熱過程。b.將土壤視作半無限大介質(zhì)，忽略地表面溫度變化對地下土壤溫度的影響，認為土壤的初始溫度均勻一致且在無窮遠處也不發(fā)生變化。c. 土壤的熱物性參數(shù)在整個傳熱過程中保持不變，且屬于各向同性，同時不考慮熱濕遷移，并且認為土壤和地埋管之間只存在純導熱過程。d.忽略了回填材料和埋管以及井壁之間的接觸熱阻。e,忽略外界環(huán)境對地下土壤溫度的干擾。傳熱模型通過階躍負荷和疊加原理可知，多鉆孔組成地埋管群區(qū)域內(nèi)任一點的土壤溫度是由各個鉆孔在該點引起的溫升的疊加4以地埋管群區(qū)域中心為原點得出土壤中任意一點(x, y, z)處的溫升見式(1) S：式中4乩土壤中任意一點處的溫升，K i管群中第i個鉆孔管

4、群中鉆孔總數(shù)；定負荷的時間作用點 m總時間作用點q,.,第1個鉆孔第，時刻單位管K熱流 量,W/mM土壤的熱導率，W/(m , K)%埋管高度山C任意一點距第個鉆孔的平面距離，中 x,y土壤中任意一點的位置坐標，m 人埋管高度的積分微元 &一 土壤的熱擴散系數(shù),m2/sL總時間，寫上第j-1時刻的時間,s 吃人第，個缽孔的位置坐標內(nèi)在計算中，當7=1時,%- =0口3 地埋管群溫度場模擬 模型介紹與數(shù)值模擬分析以鉆孔之間的間距為5 m ,埋管深度為100 m , 25 m X 25 m方形地埋管群布置為例，模擬計算出地下溫度場的變化。管群布置見圖1。以冬季自地下取熱負荷小于夏季向地下放

5、熱負荷為前提，運用有限長線熱源模型，模擬分析地下溫度場的OOOO0000o00O0000熱量累積效應。!圖1 管群布置將式(1)根據(jù)本文物理模型進行簡化，布置16個地埋管，即n取16。取深度為50 m的平面進行觀察即 z取50 m。ho埋管高度取100 m ,作用 時間tm取3 330 d ,即2.88 X 108 s。j從1111進行整數(shù)變化。土壤熱導 率取1.5 W/ (m K),熱擴散系數(shù)取 5X 10-7m2Zso q根據(jù)j的時間取值進45行取值且在一定時間范圍內(nèi)為定值，在下文的研究中分別取值為W/m、60 W/m、75 W/m、-30 W/m ; x、y 從 025 m 進行整數(shù)變化

6、。將已知條件代入式（1）,此時式（1）轉(zhuǎn)化為x、y的關(guān)系式，對此式進行編程計算。已知單根地埋管夏季單位長度換熱量為50 W/m ,冬季單位長度換熱量為30 W/m ,夏季負荷較冬季負荷高出67%,夏季和冬季分別各運行90 d ,運行期間機組每天運行24 h。地埋管群換熱器從第1年夏季開始運行，運行10 a后取其夏季結(jié)束時（從第 1年夏季開始運行至 10 a后夏季結(jié)束，是為了讓模擬得到的地下溫度場的變化更加明顯，結(jié)果更加直觀便于理解）的土壤溫度分布，分析此工況下運行10 a后的地埋管周圍土壤的溫度分布情況。模擬中土壤熱物性參數(shù)設(shè)置見表1。表1 土壤熱物性參數(shù)土壤體積比熱/（J】口八 K-1）3x

7、l06土壤熱導率L5土壤初始溫度/丁 15在模擬計算過程中，對地下z=50m處的土壤溫度分布進行分析，空間計算步長取1m0由于本次模擬計算中采用的模型是有限長線熱源模型，鉆孔中心點的溫度無法直接計算得到。因地埋管直徑取15 cm ,故取距離鉆孔中心7.5 cm位置各點的平均溫度來代替地埋管區(qū)鉆孔點的中心溫度。本文研究的是不分區(qū)、無滲流情況下的地埋管運行情況，故無論是夏季或冬季地源熱泵系統(tǒng)運行時，地埋管群均全部投入使用。運行 10 a后地下溫度場分布軟件截圖見圖2 （圖例數(shù)值相應的單位為C)a.溫度場三維云圖3S363432302S2624222015UJ1UIJ/JIh溫度場平面云圖圖2地下溫

8、度場分布軟件截圖由圖2可以看出，經(jīng)過10 a的長期運行，地埋管釋放出來的熱量從鉆孔中心處向四周擴散，因此集群地埋管的熱量主要集中在地埋管中心區(qū)域，地埋管中心區(qū)域的熱量累積情況較為嚴重，地埋管群區(qū)域土壤溫度明顯上開。在實際工程地源熱泵系統(tǒng)的長期運行過程中，土壤溫度場均呈現(xiàn)出明顯的周期性變化特征，且與當?shù)貧夂驐l件變化和建筑用能特征及系統(tǒng)運行模式等諸多因素有關(guān)，由于冬夏季負荷差異，土壤溫度呈現(xiàn)出明顯上升趨勢，與模擬結(jié)果相符。由圖 2可以看出，地埋管中心區(qū)域最高溫度超過35 C,地埋管群區(qū)域的平均溫度在24 C左右，鉆孔處的平均溫度在38 C左右。因地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)地埋管進、出口水溫夏季分別為35 C

9、、30 C左右，若土壤溫度高于 35 C,即表明其超出了標準空調(diào)工況的冷卻水溫度范圍，地埋管在夏季換熱失效。根據(jù)模擬結(jié)果可以直接反映出運行10 a后，地埋管群區(qū)域鉆孔內(nèi)所有的埋管均無法在夏季進行有效換熱。不同冷熱負荷比對溫度場的影響不同地區(qū)冷熱負荷比不同，冷熱負荷比指放熱負荷與取熱負荷之比，冷熱負荷比的增大，地埋管中心區(qū)域熱量累積越多，導致系統(tǒng)的熱不平衡率越大，地下熱量累積效應越明顯，對地埋管中心區(qū)域的地下溫度場的影響也越大。針對不同的冷熱負荷比對地埋管群換熱器長期運行后地下溫度場變化情況進行對比分析。以25mX25 m方形地埋管群布置為例，所有模擬都從第1年的夏季開始運行，冬夏季各運行90

10、d ,機組運行期間每天工作 24 h ,研究運行到第 10 a的夏季結(jié)束時地下 50 m處的溫度場變化情況（以地埋管區(qū)域中心點為例），冷熱負荷比見表 2,不同冷熱負荷比條件下地埋管區(qū)域中心點溫度見圖3表2不同情況下冷熱負荷比圖3不同冷熱負荷比條件下埋管區(qū)域中心點溫度由圖3可以看出，不同的冷熱負荷比條件下，隨著運行時間的增加，由于地埋管換熱器的吸放熱不平衡，造成地埋管群區(qū)域形成熱量堆積，使地埋管區(qū)域中心點溫度呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。根據(jù)整體的模擬計算結(jié)果分析，冷熱負荷比分別為 2.5 ： 1和1.5 ： 1的溫度差異十分明顯，地埋管群區(qū)域整體的平均溫差 10 C左右，最高溫差約 16 C,即在冷熱

11、負荷比較大的情況下，地埋管群區(qū)域的溫度會大幅度提升，溫度的升高進一步會導致冷熱量累積現(xiàn)象加重。隨著冷熱負荷比的增大，地埋管中心區(qū)域熱量累積越多，負荷熱不平衡性表現(xiàn)越明顯，越不利于地埋管換熱。4 地埋管群結(jié)構(gòu)對地下?lián)Q熱的影響地埋管群結(jié)構(gòu)對地下?lián)Q熱的影響非常大，合理的管群結(jié)構(gòu)有利于地埋管換熱器的換熱，提高地下?lián)Q熱器的換熱效率。在實際工程中，目前主要根據(jù)施工現(xiàn)場條件來確定地埋管群的布置形式，一般情況下管群大面積布置時多采用方形（順排）布置，對管群結(jié)構(gòu)（布置形式）優(yōu)化分析較少7 0引入地熱換熱器體形系數(shù)概念（類似于建筑物體的體形系數(shù)）：地埋管群外圍與巖土層接觸的外表面積與其所包圍的體積之比，來代表不同

12、管群結(jié)構(gòu)所對應產(chǎn)生的變化，進一步模擬優(yōu)化。當管群數(shù)量和鉆孔間距一定時，采用不同的地埋管換熱器布置形式會對應產(chǎn)生不同的地熱換熱器體形系數(shù)，對地埋管群區(qū)域土壤溫度進行模擬分析。管群布置形式見圖4 （圖中各管間距均為 5 m） , 16個鉆孔，冬季單位長度換熱量為30W/m ,夏季單位長度換熱量為45 W/m時不同布置形式下的體形系數(shù)見表3,其他參數(shù)條件不變。以地埋管群區(qū)域的中心點為例進行討論，不同管群布置形式下地埋管區(qū)域中心點溫度見圖0A00000OOOOO 0000B00000000000000000 0。,0 0 000 0 000 0 0 0f 00 D0 0 O 00 o 0 00 0 0

13、 0 00布置形式表3不同布置形式下的體形系數(shù)5不同管群布置形式下地埋管區(qū)域中心點溫度由圖5可以看出，在管群數(shù)量和鉆孔間距一定時，在L形和叉排形兩種布置形式下，運行初期地埋管區(qū)域中心點溫度差值約為1 C,運行中后期，溫度差值高達 5 C。隨著運行時間的增加，L形布置形式下，地埋管區(qū)域中心點溫度升高的速度最緩慢，且溫度始終低于其他 3種布置形式。對比4種布置形式，隨著體形系數(shù)的減小，地埋管群區(qū)域的溫度升高速度和幅度明顯增大，地下熱量堆積更加嚴重。5 結(jié)論給出豎直地埋管群換熱的簡化假設(shè)及傳熱模型。以鉆孔之間的間距為 5 m ,埋管深度為100 m , 25 m X 25 m方形地埋管群布置為例，從第 1年夏季開始運行，運行10 a后夏季結(jié)束，夏季和冬季分別運行90 d,運行期間機組每天運行24 h ,分別模擬冬季單位長度換熱量為30 W/m、夏季單位長度換熱量為50 W/m時，冷熱負荷比分別為 1.5 ： 1、2.0 ： 1、2.5 ： 1時，以及不同的管群布置形式（不同的體形系數(shù)）