地源熱泵垂直埋管周圍土壤溫度場數值模擬及分析_圖文

1、*2010年12月潔凈與空調技術CC&AC 第4期地源熱泵垂直埋管周圍土壤溫度場數值模擬及分析解放軍理工大學工程兵工程學院 張 永 *繆小平 朱正亮摘 要 概述了地源熱泵技術,對影響埋管換熱器的最主要因素埋管周圍土壤溫度場進行了研究,采用了建立傳熱模型并借助FLUENT 軟件進行數值模擬的方法,對垂直U 型埋管換熱器周圍土壤溫度場的特性進行了研究,分析了不同管井水平間距、系統冬夏季不同的運行天數、熱泵系統長期和短期運行、不同埋管類型等不同工況對埋管換熱器周圍土壤溫度場的影響,以提供冬、夏季節(jié)的運行時間分配和管井水平間距等方面的基礎數據,從而為垂直埋管換熱器的設計提供參考。關鍵詞 地源熱

2、泵;垂直U 型埋管;土壤溫度場;數值模擬;FLUENTVertical Ground Source Heat Pump Ground Temperature FieldNumerical Simulation and AnalysisZhang Yong, Miao Xiaoping and Zhu ZhengliangAbstract An overview of Ground Source Heat Pump, Heat Exchangers on the impact of the most important factor - ground temperature field was

3、studied and used to establish heat transfer model to simulate the help of FLUENT software method,vertical U-type buried heat exchanger soil temperature around the characteristics of the study, analyzed the distance be-tween different levels of tube wells, the system is running a different winter and

4、 summer days, long-term and short-term heat pump system operation, various different types of conditions buried on the heat exchanger soil temperature field around to provide winter and summer, the running time of the level spacing distribution and tube-wells such as the basic data, so as to vertica

5、l ground heat exchanger design reference.Keywords GSHP; Vertical U-tube heat exchanger; Soil temperature field; Numerical simulation; FLUENT張永,男,1984年6月生,碩士研究生210007南京市白下區(qū)海福巷1號解放軍理工大學工程兵工程學院內設教研室,132*E-mail:766211702 收稿日期:2010-8-170 引言地源熱泵(GSHP :Ground Source Heat Pump 是以大地為熱源和熱匯,通過埋入地下的換熱器進行冷熱交換,實現

6、建筑空調和熱水供應等目的1。地源溫度較為恒定,可分別在夏冬兩季提供相對較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度。在冬季,地源熱泵將大地中的低位熱能提高向建筑供暖,同時蓄冷以供夏用;夏季通過熱泵將建筑內的熱量轉移到地下對建筑進行降溫,同時蓄存熱量以供冬用。夏熱冬冷、供冷和供暖大致相當的地區(qū),其冷熱負荷基本相當,用同一系統,可以充分發(fā)揮地下蓄能的作用。此外,對于冷熱負荷不太一致的地區(qū)可以采用輔助冷熱源方式進行調節(jié),北方可以聯用太陽能,而南方地區(qū)可以采用冷卻塔補償的方式來彌補冬夏兩季負荷不一致可能出現的熱平衡問題2。1 數學模型1.1 物理模型U 型垂直換熱埋管是地源熱泵系統常采用的埋管方式,一般可分為單U

7、管和雙U 管。對于單U 埋管方式,管井內通常布置有兩根塑料管,一進一出構成了一個封閉的循環(huán)回路,如圖1、圖2所示;雙U 埋管則為兩進兩出,如圖3所示。U 形管與土壤的傳熱過程包括以下幾部分3:U 形管內水的對流換熱;水與管壁之間的對流換熱;管壁中的導熱;管壁與回填土的傳熱;回填土中的傳熱;回填土與土壤的傳熱和土壤中的傳熱。當熱泵系統開始運行后,管壁、回填土和土壤溫度依次發(fā)生變化,并在不同的運行季節(jié)和運行年度,表現出不同的溫度分布特征。因此,地埋U 形管與土壤間的傳熱過程是非穩(wěn)態(tài)的傳熱過程。為研究的方便,可作如下簡化假設:(1在整個傳熱過程中,土壤的物理成分、熱物性參數保持不變,土壤的計算物性參

8、數取平均值。圖1 垂直埋管示意圖圖2 單U 埋管橫截面示意圖圖3 雙U 埋管橫截面示意圖(2由于地下水位較低,不考慮水分遷移對熱量傳遞的影響,埋管與土壤之間的熱量傳遞過程為純導熱的傳熱過程。(3認為土壤的初始溫度均勻一致并僅隨深度方向變化?；谏鲜黾僭O,管井中U 型管及回填材料可簡化為一個當量的單管式熱源,對于管群中的某一管井,其周圍土壤的傳熱可簡化為圖4所示的問題。其中,井壁和井底可設為等熱流邊界,井底向下10m 深處設為等溫邊界,地表溫度則隨當地氣象條件四季變化。為保證地下埋管的正常換熱效果和長期使用,應設計出合理的埋管數量、埋深和管井水平間距。在多數情況下,夏季空調所需要的冷量和冬季供暖

9、所需的熱量是不等的。因此,夏季空調向土壤排放的熱量和冬季供暖時所提取的熱量也不相等。長期運行結果勢必導致土壤溫度場越來越偏離初始溫度場,所能取得的冷量(或熱量連年減少,從而使熱泵處于不經濟的運行狀態(tài)。為能實現長期利用土壤熱源(冷源的目的,就應使土壤每年的取熱和放熱總量基本達到平衡。因此,本文數值模擬的目的是在不同埋管模式下,提供冬、夏季節(jié)的運行時間分配和管井水平間距等方面的基礎數據,從而為垂直埋管換熱器的設計提供參考。1.2 數值模型及計算方法采用GAMBIT 程序進行模型的建立,幾何模型及網格劃分如圖5所示。采用大型C F D 軟件FLUENT 進行數值模擬計算4。全年不同季節(jié)運行工況的轉換

10、則通過FLUENT 軟件的二次開發(fā)功能UDF ,編制C 語言宏函數程序來實現。圖4 計算模型圖5 幾何模型及網格劃分2 管井周圍土壤溫度場的數值模擬結果及分析2.1 單U 型埋管周圍土壤溫度場的變化在夏季空調運行天數為120天的條件下,為了獲得不同管井水平間距條件下冬、夏季的運行時間分配,以實現夏季排熱和冬季取熱的平衡,本文按冬季運行130天和140天兩種工況分別進行計算。圖6圖8顯示了不同管井水平間距條件下界面平均溫度的變化及比較。圖6 土壤平均溫度的變化(管井間距3.5 m 由圖6可知,當管井水平間距為3.5 m 時,在每年冬季運行時間為130天條件下,排熱量大于吸熱量,運行期到第3年時,

11、監(jiān)測面的平均溫度已與換熱流體平均溫度相當,因而可認為土壤已經無法滿足夏季的排熱要求。當每年冬季運行時間為140天時,夏季排熱與冬季吸熱基本平衡,到第13年時,監(jiān)測面土壤的平均溫度已高于31。第4期地源熱泵垂直埋管周圍土壤溫度場數值模擬及分析. 17 .圖7 土壤平均溫度的變化(管井間距5 m 當管井水平間距為5 m 時,如圖7所示,在每年冬季運行時間為130天的條件下,到運行期第15年時,監(jiān)測面的平均溫度已上升至31,即夏季換熱流體的平均溫度,因而可認為土壤已經無法滿足夏季的排熱要求。當每年冬季運行時間延長至140天時,排熱與吸熱量基本平衡,平均溫度最高值在25.8左右,系統可長期有效運行。圖

12、8 土壤平均溫度的變化(管井間距6.5 m 當管井水平間距為6.5 m 時,如圖8所示,在每年冬季運行時間為130天條件下,運行期到第20年時,監(jiān)測面平均溫度的最高值為27.3。認為土壤的溫度變化在可接受的范圍內,無需延長冬季運行時間。2.2 雙U 型埋管周圍土壤溫度的變化雙U 型埋管地熱換熱器就是在一個鉆孔埋設兩組U 型管。顯然,雙U 型埋管結構的地熱換熱器由于增加了鉆孔內的傳熱面積,因而必然會使鉆孔內傳熱熱阻降低,從而對于確定的換熱負荷可以減小鉆孔深度;當然,相應地也增加了管材和管件的費用。因此,不同結構形式的地熱換熱器在傳熱性能及其對周圍土壤溫度場的影響和經濟性方面的優(yōu)劣仍然是研究者和工

13、程師們正在探討的課題。圖9圖11顯示了雙U 型埋管在三種管井間距條件下,冬季不同運行時間對土壤平均溫度變化的影響。圖9 土壤平均溫度的變化(管井間距3.5 m 圖10 土壤平均溫度的變化(管井間距5 m 圖11 土壤平均溫度的變化(管井間距6.5 m 從圖9圖11可以看出,在雙U 管模式下,土壤的溫度變化范圍要大于單U 管模式;當管井間距為3.5 m 、冬季運行130天時,系統運行到第2年時,周圍土壤的溫度就高于夏季換熱流體的平均溫度31。當管井間距為5 m 、冬季運行130天時,系統運行到第7年時,周圍土壤的溫度就高于夏季換熱流體的平均溫度31。當管井間距為6.5m 、冬季運行130天時,壽

14、命期內土壤的溫升在許可范圍。在冬季運行140天的條件下,無論管井間距為3.5 m 還是5 m 和6.5 m,壽命期內土壤的溫升均在許可范圍,系統都可以長期有效運行。如將土壤溫度高于夏季換熱流體的平均溫度或低于冬季換熱流體平均溫度時的工況視為土壤失效,則比較圖6圖8和圖9圖11可知,在冬季同樣. 18 . 潔凈與空調技術CC&AC 2010年運行130天的條件下,當管井間距為3.5 m 時,采用單U 管時土壤的失效年限為3年,而雙U 管模式土壤的失效年限僅為2年;采用5 m 間距條件下,采用單U 管時土壤的失效年限為15年,而采用雙U 管時土壤的失效年限僅為7年;采用6.5 m 間距時,

15、無論采用單U 管還是雙U 管模式,壽命期內土壤的溫升均在許可范圍?？梢?在冬夏季熱量交換不平衡時,單U 型埋管周圍土壤的溫度場的失效年限比雙U 型埋管周圍土壤溫度場的失效年限長。2.3 單U 、雙U 型埋管周圍土壤溫度的變化比較以下管井間距為5 m 時,單、雙U 管周圍土壤平均溫度的變化見圖12;管井間距為6.5 m 時,單、雙U 管周圍土壤平均溫度的變化見圖13。圖12 單、雙U 管周圍土壤平均溫度的變化(管井間距5 m 從圖12可知,管井間距為5 m 時,在單管模式下,系統壽命期內土壤的溫升在許可范圍;在雙管模式下,土壤的失效年限為7年。從圖13可知,管井間距為6.5 m 時,不管在單管模式下還是雙管模式下,系統壽命期內土壤的溫升均在許可范圍。由上述兩種工況在單、雙U 管模式下土壤的溫度變化規(guī)律可知,雙U 管的傳熱強度要大于單U 管,雙U 管模式下土壤溫度變化的波幅高于單U 管。圖13 單、雙U 管周圍土壤平均溫度的變化(管井間距6.5 m 3 結論針對地源熱泵垂直埋管周圍土壤溫度場的數值模擬及分析的結果顯示:(1在相同的運行年限下,管井水平間距越大,土壤的溫升相對越小,系統能保證較長時間的有效運行。(2雙U 型管系統的換熱強度高于單U 型管的,但雙U 型管模式下土壤溫度場的惡化速度大于單U 型管模式下的。(3當管井間距為6.5 m 、冬季運行130天