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地源热泵系统概述及影响

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地源热泵系统概述及影响:

1概述

近年来,随着我国经济的高速发展,越来越多的地区在采暖空调系统中开始采用地源热泵技术,但是这样的发展趋势是否合理却值得探讨。本文以4个典型城市(北京,沈阳,广州和武汉)为例,综合考虑土壤温度,土壤热物性以及建筑围护结构,负荷特性等因素的影响,对地源热泵系统进行分析。

2模型介绍

2.1建立模型方法

本文首先采用ANSYS公司的CFD软件FLUENT6.3[1-2]建立了垂直U型地埋管换热器的三维非稳态换热模型,并采用有限容积法对地源热泵地下换热器系统进行分析。而后结合能耗模拟软件DeST,对不同地区不同围护结构的办公建筑进行负荷分析,从而确定位于我国不同地区办公建筑的负荷特性对地源热泵系统的影响。

垂直U型地埋管模型复杂,在三维模型的基础上还需如下简化和假设:土壤是均匀常物性且各向同性的饱和多孔介质;忽略接触热阻的影响;忽略地表换热的影响,假定为绝热边界条件;不考虑U形管进,回水管之间的传热影响。

2.2数学模型

对于不可压缩流体,连续性方程为:div(U)=0(1)

控制方程通用形式为:?(ρφ)?t div(ρUφ)=div(Γφgradφ) Sφ(2)

式中,ρ为管内流体密度;U为管内流体速度;φ为通用变量,可以代表速度u,v,w,温度T,脉动动能K和脉动动能耗散率ε;Γφ为广义扩散系数;Sφ为广义源项。

2.3几何模型

模型计算区域采用深度为100m的垂直U型地埋管,该地埋管所需的地表面积为40m×40m.垂直双U型地埋管换热器的计算区域。

在建模过程中没有考虑垂直U型地埋管底端弯管与土壤之间的换热,相对于整个垂直U型地埋管的换热,这部分可以忽略不计。这样的简化可以缩短计算机计算时间,且又不会对计算精度产生影响。

2.4网格划分

垂直U型地埋管计算区域网格划分是采用非结构化网格与变步长的结构化网格相结合的方法。

在钻孔的内外区以及管道壁的内外,均采用网格径向变步长处理。在钻孔内区,由于温度变化比较剧烈,计算精度要求较高,所以采用较密的网格;在钻孔外区,随着钻孔壁径向半径的增大,温度变化越来越平缓,可以适当加大网格的间距。本文采用的网格变步长不大于1.2.相对于整个垂直U型地埋管换热器较大的计算区域而言,管壁的几何尺寸仅为3mm,网格划分很困难,所以在网格划分中并没有考虑垂直U型地埋管的管壁厚度,而在实际换热过程中,管壁厚度产生的热阻是不能忽视的。因而,在计算过程中管壁所产生的热阻在U型管与回填材料之间以局部热阻的形式考虑进去。

2.5边界条件

2.5.1远端区域的边界条件

垂直U型地埋管计算模型的远端区域由4个面组成,均为第一类边界条件,具体表达式如下:X=0m,TX=0m=Tsoil(3)

X=40m,TX=40m=Tsoil(4)

Y=0m,TY=0m=Tsoil(5)

Y=40m,TY=40m=Tsoil(6)

式中,Tsoil为土壤的初始温度;X为计算区域水平面横向距离;Y为计算区域水平面纵向距离。

2.5.2底端面的边界条件

垂直U型地埋管计算模型底端面的边界条件为第二类边界条件,即绝热边界条件,其表达式如下:Z=-100m,qZ=-100m=0(7)

式中,Z为计算区域竖直方向长度;qZ=-100m为地下100m处热流密度。

2.5.3地表面的边界条件

垂直U型地埋管计算模型地表面的边界条件为第二类边界条件,即绝热边界条件,其表达式如下:Z=0m,qZ=0m=0(8)

2.6数值模拟方法

由于管内流体的流动和土壤中水的渗流都是稳定的。因此,采用稳态标准k-ε模型和动量方程对管内湍流进行求解。因为土壤中水的渗流为层流,只需求解动量方程即可,其中对流项差分格式采用QUICK格式,压力速度耦合采用SIMPLE算法,壁面采用壁面函数法进行处理。流动计算完成后,再对管道流体与壁面以及土壤非稳态换热和土壤中热渗耦合换热进行求解。

3土壤温度对地源热泵的影响

3.1模拟参数的设定

以夏季为例,在假定地下换热器进口温度为33℃的前提下,分别选取土壤温度为12~22℃之间的6种工况对地下换热器系统进行换热计算。

3.2模拟结果分析

分析计算结果可知,系统运行15d之后地下换热器周围土壤各项参数变化足够小,可认为此时换热达到稳定。

流体与地埋管周围土壤之间的温差比较大,换热比较剧烈,因此土壤的温度变化较大,换热量也较高。随着时间的增加,地埋管周边聚集的热量来不及散去,换热器周围土壤温度逐渐升高,温差逐渐减小,换热量逐渐降低。另外由图可知,同一时刻土壤初始温度越低,地埋管的供,回水温差越高,换热量越高。

夏季换热器进,出口水温差当土壤初始温度高于22℃,地下换热器换热达到稳定后,夏季地埋管与土壤之间的换热量低于35W/m,地埋管进,出口水温差低于1.5℃。通常而言,若热泵冷凝器一侧的换热温差过小,则不利于热泵机组的正常工作,当前大多数的地源热泵机组冷却水侧额定换热温差为5℃,所以如上所述工况对热泵机组的运行将产生不利的影响。

不同地区土壤温度及建筑负荷特性对地源热泵系统的影响图6和图7反映了不同土壤初始温度下,冬季地埋管每延米换热量和供,回水温差随时间的变化曲线,冬季时的变化规律和夏季时大致一样,本文不再赘述。

从热平衡角度分析可知,当土壤初始温度介于16~20℃之间时,夏季地埋管向土壤排放的热量与冬季地埋管从土壤吸收的热量之比约为1.42~0.81.可认为1a内土壤的热量得失是大致平衡的,地源热泵系统不会对地球表面浅层地热资源造成破坏。

4建筑负荷对地源热泵的影响

4.1建筑负荷与地源热泵的关系

地源热泵系统是为处理建筑物冷热负荷服务的,因此不可避免地会受到负荷变化的影响。伴随着建筑物冷热负荷的变化,热泵机组的性能参数也会随之发生变化,并对地源热泵地下换热器系统的换热造成影响,可以认为地源热泵系统换热性能与建筑负荷之间是存在耦合关系的。因此,建筑负荷的全年变化特征分析是地源热泵系统地下换热器设计及性能分析的前提,本文将对此进行定量分析。

4.2建筑计算模型概况

本文以某办公建筑为例,对其建立DeST能耗模拟模型。

4个典型城市的建筑总负荷不同,对土壤源热泵系统性能的影响也有所差异,尤其是在夏热冬暖地区(以广州为例),夏季向土壤的排热量与冬季从土壤的吸热量比值达到了37.5.由此判断,仅仅依靠土壤源热泵系统来解决冬夏季图10北京(寒冷地区)全年逐时负荷(夏热冬暖地区)全年逐时负荷采暖空调负荷并不合适,需要搭配其它形式的冷热源,构架复合型采暖空调系统。

5结论

本文基于我国4个典型城市的土壤初始温度及热物性参数,对地源热泵系统地下换热器的工作状况进行了模拟计算,并结合《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)中对不同地区建筑物围护结构参数的限值,对办公建筑进行了能耗模拟,进而分析了不同地区建筑负荷特性对地源热泵系统性能的影响,得出以下结论:

1)在不同地区不同土壤初始温度的影响下,地源热泵系统得到不同的参数响应。当土壤初始温度介于16~20℃之间时,地源热泵地埋管侧进,出口水温接近于热泵机组标准工况,能较好地进行热泵机组与地埋管侧的换热过程,此时冬夏季地埋管每延米土壤换热量之比介于1.41~0.81之间。

2)根据规范中对不同区域建筑物外围护结构传热系数及热阻的限值,结合各地区室外气象参数建立DeST模型,可以初步判断该地区建筑的负荷特性,进而得到地源热泵系统地埋管侧的换热情况,据此可以判断该地区地源热泵系统冬夏季换热是否平衡。通过本文的模拟计算可知,无论是夏热冬暖地区,还是位于低纬度的部分夏热冬冷地区,由于冬夏季土壤换热量差别过大,仅靠地源热泵系统来解决建筑采暖空调负荷是不合适的,应当考虑其它形式的冷热源,构建复合系统。

3)不同地区的气候环境和地理条件不尽相同,盲目采用地源热泵系统,其优势不仅不能得到充分发挥,还有可能适得其反,不仅不节能,反而多耗能。

因此在地源热泵系统设计过程中,应充分考虑地区土壤热物性及建筑负荷的特点,尤其是冬夏季冷热负荷不平衡时,应考虑使用辅助冷热源,即复合式地源热泵系统,既可以满足建筑负荷变化的需要,又使得地下换热器存在一个恢复期,有利于地源热泵系统长期稳定运行[7-9]。

4)本文借助DeST软件进行了建筑全年负荷的计算,并利用CFD软件进行了地下换热器与土壤换热的模拟,没有考虑土壤与周围空气的换热,地表水的渗透以及地下水渗流等因素对土壤温度恢复的影响,更进一步的讨论研究及实践有待日后深入进行。

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