条形地埋管区域土壤换热特性的数值模拟

第２９卷第５期２０１０年１０月文章编号：１００３．０３４４（２０１０）０５．０７６－４建筑热能通风空调ＢｕｉｌｄｉｎｇＥｎｅｒｇｙ＆ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＶｏＬ２９Ｎｏ．５０ｃｔ．２０ｌ０．７６．７９条形地埋管区域土壤换热特性的数值模拟鲍谦张旭王松庆刘俊高军同济大学暖通空调及燃气研究所摘要：本文以某客运站的地源热泵系统为例，对条形地埋管区域的土壤换热特性进行了数值模拟。通过模拟结果分析与比较了两种不同运行策略下全年土壤温度的变化情况。就全年运行而言，地埋管的换热效率在高负衙间歇运行方式下优于低负荷连续运行。在高负荷间歇运行的方式下全年土壤温升也远小于低负荷连续运行的方式，土壤温度恢复特性相对更好。关键词：地源热泵运行策略土壤温度数值模拟ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＳｏｉＩａｒｏｕｎｄＮｕｍｅｒｉｃａＩＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＧｒｏｕｎｄ－ｃｏｕｐｌｅｄＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｅｒｓＡｒｒａｙｅｄｉｎＳｔｒｉｐＱｉａｎ，ＺＡＨＡＮＧＸｕ，ＷＡＮＧＳｏｎｇ－ｑｉｎｇ，ＬＩＵＪｕｎ，ＧＡＯＪｕｎＢＡＯＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨＶＡＣ＆ＧＡＳＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈａｎａｃｔｕａｌｇｒｏｕｎｄ—ｃｏｕｐｌｅｄｈｅａｔｐｕｍｐｓｙｓｔｅｍｅｘａｍｐｌｅｉｎｏｎａｐａｓｓｅｎｇｅｒｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｇｒｏｕｎｄ－ｃｏｕｐｌｅｄｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓａｒｒａｙｅｄｉｎｓｔｒｉｐ．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｒｏｕｎｄｔｈｅｙｅａｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｉｎｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｓ．Ｉｎｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｕｎｄｅｒｈｉｇｈｌｏａｄ，ｉｔｓｈｏｗｓｇｒｏｕｎｄ－ｃｏｕｐｌｅｄｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓｗｉｌｌｈａｖｅａｂｅｔｔｅｒｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔｔｈｅｙｅａｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｉｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｕｎｄｅｒｌｏｗｌｏａｄ．Ａｎｄｉｎｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｕｎｄｅｒｈｉｒｇｈｌｏａｄ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅｏｆｓｏｉｌｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔｔｈｅｙｅａｒｗｉｌｌｂｅｍｕｃｈｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｉｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓａｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｕｎｄｅｒｌｏｗｌｏａｄ．Ｉｎｏｔｈｅｒｗｏｒｄｓ，ｔｈｅｆｏｒｍｅｒｗｉｌｌｌｅａｄｔｏｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｂｅｕｅｒｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｓｏｉｌＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄ—ｃｏｕｐｌｅｄｈｅａｔｐｕｍｐ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｓ，ｓｏｉｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ０引言地埋管区域的管群换热特性对地源热泵系统的管区域，目前还缺乏相关文献研究。在管群换热特性的影响冈素研究方面，除了减小冷热负荷的不平衡率外，有文献指出合理控制冷热负荷强度，有利于地温恢复并实现地源热泵系统经济节能运行的目的Ⅲ；也有文献讨论了在地源热泵运行中通过可控间歇过程恢复地下温度以弥补土壤传热慢的不足翻。但对这些影响因素进行比较研究的文献还比较少。本文以某客运站地源热泵系统为例，在两种不同的系统运行策略下（一种实现可控间歇过程，另一种控长期稳定运行影响很大，对全年运行情况进行模拟所得到的结果有利于对地埋管系统的设计和运行尽早做出合理判断或改进。近些年一些研究㈣对典型区域的管群周围土壤温度进行了较长时间的数值模拟，取得了不少对实际工程有指导意义的成果。但研究对象集中于常见的正方形㈣、矩形【３、４１及其组合形状１６１等地埋管区域。对于长宽比较大的矩形区域，即条形地埋收稿日期：２０１０．１．５作者简介：鲍谦（１９８５～），男，硕士研究生；同济大学机械Ｔ程学院Ａ３１４室（２０１８０４）；０２１．６９５８３８０３；Ｅ－ｍａｉｌ：ｂａｏｑｉａｎｌ９８５＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（Ｎｏ．２００６ＢＡＪ０１８０５）；中国博士后科学基金特别资助项目（Ｎｏ．２００８０１２０５）万方数据第２９卷第５期鲍谦等：务形地埋管区域土壤换热特性的数值模拟・７７・制负荷强度，详见下文），对钻孔式地埋管条形Ⅸ域的换热特性进行全年数值模拟研究，为系统设计和运行的合理化提供参考。１工程概况某客运站实际Ｔ程采用钻孔式地埋管地源热泵系统，承担客运站的部分夏季冷负荷和全部冬季热负荷。铁轨下地层由于受到列车行进引起的强烈振动而不宜布置地埋管，实际ｔ程选择在铁轨间各个站台下的地层中布置钻孔式地埋管。客运站的南、北两个地块分别布置了若干个条形单元埋管区，每个单元的地埋管数目为７０个。丁程采用单ｕ型地埋管，孔径ｌ１０ｍｍ，有效深度为９０ｍ（地下２ｍ到地下９２ｍ）。图ｌ为每个单元埋管区上半部的钻孔布置示意图（上下对称），钻孑Ｌ之间的纵向间距为４ｍ，横向间距为５ｍ。各单元埋管布置形式相同，且相邻单元之间的最小距离达１６ｍ，因此无须考虑不同单元管群之间的热干扰。图１单元埋管区的钻孔布置（上半部）２研究对象影响地埋管管群换热特性的主要因素包括土壤物性、管群布置形式、系统运行策略、冷热负荷强度和冷热负荷不平衡率等。作为研究对象的单元埋管区为条形，７０个钻孑Ｌ布置为２列３５行。从图ｌ可以看出，每个钻孔都至少有一侧与维持初始温度的周边土壤直接相连，而无其他钻孔间隔，因此这种管群布置形式对换热非常有利。而一般工程受限于埋管区的形状往往很难采用，但在客运站使用地源热泵系统时，这种利用站台下区域的管群布置形式值得推荐。本文选择任意两个单元，在两种运行策略下承担相同大小的冷、热负荷。实际工程的供冷期为５月１日万方数据至１０月３１ｔ：ｔ，供暖期为１２月１５日至次年３月１５日，其余月份为土壤恢复期。第一种运行策略（以下简称“Ｔ况Ａ”）：高负荷间歇运行，即两个单元在供冷期和供暖期的每一天都间歇运行（０时～１２时，甲单元土壤换热，乙单元土壤恢复；１２时～２４时，乙单元土壤换热，甲单元土壤恢复）。在运行期间承担总负荷，即每个钻孔的单位井深放热量达到４５ｗ／ｍ，取热量达到３５Ｗ／ｍ。第二种运行策略（以下简称“１二况Ｂ”）：低负荷连续运行，即两个单元同时并均等地承担总负荷，每个钻孔的单位井深放热量达到２２．５Ｗ，ｍ，取热量达到１７．５Ｗ／ｍ。在供冷期和供暖期全天２４小时连续运行。对于这两种工况，管群换热的其他影响因素，包括土壤物性、管群布置形式和冷热负荷不平衡率等显然都是相同的。两种工况下这两个单元承担的总负荷也是相同的。本文分别对两种运行策略下，同一单元埋管区全年土壤温度场进行数值模拟，分析比较这两种不同运行策略的优劣。３模型描述３．１模拟对象计算采用的数学模型只包含土壤导热部分，忽略土壤中的水分迁移。为在现有计算机上实现有效的长时间模拟，采用二维简化区域，且考虑到几何与物理上的对称性，把图ｌ所示的单元钻孔布置图，即完整单元区域的１／２平面作为计算区域。计算域实际尺寸为７５ｍ×２０ｍ。网格类型为非规则三角形，节点总数约为１５００００，网格划分的局部效果如图２所示。图２地埋管换热器周围网格【放大）３．２计算模型及参数设置本文采用二维、无限大、均质、元内热源、非稳态的热传导模型，忽略沿土壤深度方向热流变化的影响。二维模型是对三维模型的简化，肯定会引入一定的误差。如果是研究少数几个钻孔短时间内的传热性能，必须采用三维模型。但本文研究的是一个区域内钻孔・７８・建筑热能通风空调２０１０生式地埋管管群长时间的传热性能，进行二维模拟所涉及的网格数目和模拟计算量已经很大，再加上考察土壤温度场全年变化也会增加计算量，因而有必要进行适当简化以减轻计算负担。固体非稳态导热采用以下基本方程纠罟＋割瓦卸旧＋矿Ｊ㈩…式中：，为土壤温度，℃；下为时间，ｓ；ａ＝ｈ／ｐｃ为土壤导温系数，ｍ２／ｓ，其中入为土壤导热系数，Ｗ／（ｍ・Ｋ），Ｐ为土壤密度，ｋｇ，／ｍ３，ｃ为土壤比热容，Ｊ／（蚝・Ｋ）。工程所在地土壤为砂质粉土，结合工程现场热响应测试确定土壤物性参数值如下：ｈ＝１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ），／９＝１９２５ｋｇ／ｍ３，ｃ＝ｌ１５４Ｊ／（ｋｇ‘Ｋ）。土壤初始温度按１７．８＂Ｃ（现场测试结果）均匀取值。土壤远边界设定为等温边界，对称面上采用物理量法向输运等于零的对称边界条件。钻孔所在位置壁面采用热流型边界条件。两种运行策略如前文所述，工况Ａ为高负荷间歇运行，工况Ｂ为低负荷连续运行。常规的数值模拟软件无法实现土壤换热按日和按运行季周期性变化的边界条件，因此本文通过模拟软件接口程序的编制实现上述两种工况下周期性条件的导入。４模拟结果及分析图３和图４给出了一个单元埋管区分别根据工况Ａ和工况Ｂ运行，其区域内两个典型点的全年温度连续变化过程。图３钻孔壁面处（ｘ－－Ｏ）的全年温度变化钻孔壁面处（ｘ＝Ｏ）的温度变化对负荷的响应几万方数据度小于＿Ｔ况Ｂ。图４距钻孔壁ｌｍ处（ｘ＝１）的全年温度变化距离钻孔壁ｌｍ处（ｘ＝１）由于土壤热惰性的存而土壤平均温度的变化正是这两个典型点温度变化趋势综合作用的结果。图５给出了一个单元埋管区分别根据工况Ａ和由图５可以看出，在两种Ｔ况下，供冷季的土壤温度逐图５土壤平均温度的逐月变化从图５还可看出，工况Ｂ供冷季各月末的土壤平工况Ａ在供暖季初始时刻及供暖季各月末的土在，温度变化滞后于钻孑Ｌ壁面处，且上升与下降的幅度也较小。由图４可以看出，该处在工况Ａ下温度曲线的相位领先于１二况Ｂ，且振幅小于工况Ｂ。４．２两种工况下土壤平均温度的全年变化工况Ｂ运行，全年的土壤平均温度逐月变化的结果。月升高，但每个月的增幅逐渐减小；供暖季的土壤温度逐月降低，每个月的降幅也逐渐减小。４．１两种工况下典型点的全年温度变化均温度均高于工况Ａ，即工况Ｂ土壤平均温度上升的速度较快，幅度也较大。所以在供冷季的各个月份中，工况Ａ下土壤与地埋管内循环液之间的换热温差较乎是即时的，与热泵全年运行工况同步变化。由图３可以看出，工况Ａ在供冷季和供暖季由于系统昼行夜停（或昼停夜行），钻孔壁面处温度变化剧烈，期间土壤温度得到一定程度的恢复，总体而言上升和下降的幅大，相对于工况Ｂ更有利于地埋管放热。经过一个供冷季的运行，十月末是地埋管放热的最不利时间，此时工况Ａ土壤平均温度约为２２．７℃，工况Ｂ土壤平均温度约为２５．２℃，即两者的最小换热温差相差达２．５℃。壤温度均低于工况Ｂ，即工况Ａ土壤温度下降的速度较快，幅度也较大。所以在供暖季的各个月份中，工况第２９卷第５期鲍谦等：条形地埋管区域土壤换热特性的数值模拟・７９・Ｂ下土壤与地埋管内循环液之间的换热温差较大，相对于工况Ａ更有利于地埋管取热。经过一个供暖季的运行，三月中旬是地埋管取热的最不利时间，此时工况Ａ土壤平均温度约为１７．２℃，工况Ｂ土壤平均温度约为１９．１℃，即两者的最小换热温差相差达１．９。Ｃ。简言之，Ｔ况Ａ更有利于夏季向土壤放热，工况Ｂ更有利于冬季从土壤取热。如果要综合比较全年的换热效果，则需要定量分析。４．３两种工况的地埋管换热效率定义地埋管换热器的换热效率为根据土壤平均温度修正的放、取热量与设计放、取热量的比值。供冷季随着土壤平均温度逐渐上升，换热效率会逐渐降低；供暖季随着土壤平均温度逐渐下降，换热效率也将逐渐降低。效率的降低可能导致地埋管实际换热量低于设计要求的换热量。不考虑换热系数、水流量和地埋管进口水温的变化，根据每个月土壤平均温度计算实际运行中每个月的换热效率，并据整个供冷季和供暖季的土壤平均温度计算平均换热效率（如表１）。表ｌ两种工况下地埋管换热效率三堡！望壁苎塾墨墨！：塾垫塾至！望坚苎塾兰墨尘坚垫塾兰工况Ａ８０％７１％１０９０／０９９０／０工况Ｂ７８０／０６６％１２７％儿８％工况Ａ的放热效率优于工况Ｂ，而取热效率比工况Ｂ差，这与分析结论一致。但考虑到工况Ａ的取热效率已基本满足设计要求（最小值也达到９９％），而放热效率相对较高。因此从全年换热效率的角度看，工况Ａ的运行优于工况Ｂ。４．４两种工况的土壤温度恢复特性供冷季的地埋管放热量会部分蓄积在土壤中，可以为过渡期（秋季）之后供暖季的运行提供部分取热量，在一定程度上实现了夏季到冬季部分热量的移季使用，工况Ｂ在这方面明显更具优势。在经过六个月的供冷季后，工况Ａ和工况Ｂ的土壤平均温度分别上升了５．１３℃和７．３８℃，即工况Ｂ为冬季取热所蓄积的热量更多。但是经过三个月的供暖季和一个半月的过渡期（春季）之后，在下一个供冷季即将开始之时，工况Ａ土壤平均温度约为１７．９℃，工况Ｂ土壤平均温度约为１９．８。Ｃ。这说明经过一个过渡季，工况Ａ的单元埋管区万方数据土壤温度基本恢复到初始状态（１７．８。Ｃ）；而工况Ｂ的单元埋管区仍然积蓄着部分热量，全年土壤温升达到２．０＂Ｃ，这显然不利于系统在下一个制冷季的运行，且系统按工况Ｂ运行若干年的结果必然导致埋管区域土壤温度逐年升高。土壤温度恢复特性是判定地源热泵系统长期稳定运行的重要依据。地温的恢复可有效提高机组运行的性能系数ＣＯＰ。所以从这个角度看，工况Ａ也优于工况Ｂ。５结论从两种工况的对比研究中，可以得到以下结论：①从地埋管换热效率的角度来看，高负荷间歇运行方式的放热效率更好，且取热效率也能够满足设计要求，总体上优于低负荷连续运行方式。②从土壤温度恢复特性来看，高负荷间歇运行的方式全年土壤温度仅上升０．１℃，低负荷连续运行的方式使得土壤温度上升达２．０＂Ｃ，恢复特性相对较差。③对于该类型管群布置方式，运行方案的选择（间歇与连续）对系统长期运行的影响要大于冷热负荷强度的差异。④在本文中较高的冷热负荷不平衡率（两工况均为６１％）下系统仍然可实现较好的运行，说明条形埋管区的换热效果和土壤温度恢复特性相对应于其他形状埋管区域都更好。参考文献【１】刘俊，张旭，高军，等．地源热泵土壤温度恢复特性研究【Ｊ】．暖通空调，２００８，３８（１１）：１４７．１５０【２】丁勇，李百战，卢军，等．地源热泵系统地下埋管换热器设计（２）叨．暖通空调，２００５，３５（１１）：７６—７９・［３】李新国，赵军，周倩．ｕ型垂直埋管换热器管群周围土壤温度数值模拟【Ｊ】．太阳能学报，２００４，２５（５）：７０３—７０７【４】ＬｉＸｉｎｇｕｏ，ＣｈａｎＺｈｉｈａｏ，ＺｈａｏＪｕｎ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＵ－ｖｅｒｔｉｃａｌｇｒｏｕｎｄｅｏｕｐｌｃｄｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ川．ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，２６（１４－１５）：１５６４．１５７ｌ【５】赵军，王华军．密集型桩埋换热器管群周围土壤换热特性的数值模拟ｍ．暖通空调，２００６，３６（２）：ｌｌ・１４【６】高青，李明，固燕．群井地下换热系统初温和构造因素影响传热的研究【Ｊ】．热科学与技术，２００５，４（１）：３４－４０【７】徐伟．地源热泵工程技术指南【Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社。２００１