土壤蓄热与土壤源热泵集成系统的数值模拟

土壤蓄热与土壤源热泵集成系统的数值模拟罗苏瑜(中南大学能源科学与工程学院,湖南长沙410083)摘要:结合土壤源热泵技术推广中存在的问题和地下蓄能技术的优点,提出了土壤蓄热与土壤源热泵集成系统及其地下管群换热器的布置方式。

并在能量平衡的基础上建立了地下管群换热器蓄热、释热和停止运行的数学模型。

通过数值模拟,分析了埋管间距对蓄热与释热的运行特性的影响。

关键词:土壤蓄热;土壤源热泵;集成系统;地下管群换热器;管间距中图分类号:T K523;O242　文献标识码:A　文章编号:1004-7948(2007)06-0012-041引言土壤源热泵技术因其使用可再生的地热能且有益于环境保护,被称为是当今世界上一项最具发展前景的空调技术[1]。

地下蓄能技术可以对大量的工业余热、废热和太阳能进行有效利用,由此能显著降低地区的CO2、NO x、SO x及CFC排放量[2,3]。

本文结合这两种技术的优点提出土壤蓄热与土壤源热泵集成系统,该系统是将土壤源热泵技术与土壤蓄热技术有机地结合起来,充分利用土壤蓄存能量大和土壤耦合热泵系统的优点,将蓄热装置转移到土壤源热泵系统的地下埋管换热器系统中,使地下埋管换热器与蓄热装置合二为一,省去了传统蓄热系统中占地面积大、耗资较多的蓄热装置,解决了蓄热装置的占地面积及配置问题。

土壤蓄能与土壤源热泵集成系统在供热为主供冷为辅严寒地区的冬季供热工况运行时,通过地下埋管换热器将集热器收集起来的太阳能或工业余热、废热部分或全部地贮存到地下土壤中,而后通过开启循环水泵使载热剂在地下盘管中循环流动与埋管周围的土壤进行热交换,将蓄存于土壤中的热量提取出来进行供暖,当地下蓄存的热量不足建筑物所需的冷负荷时,系统可按土壤源热泵系统的供热工况运行,此时换热器起纯取热的作用。

土壤蓄能与土壤源热泵集成系统的不同运行工况对地下埋管换热器的要求不一样,冬季供热工况的以上两种运行模式要求地下埋管换热器的功能也不同,这就使得在不同的运行工况、不同的运行模式需要对地下埋管群有不一样的结构优化。

本章通过数值模拟计算,将分别对土壤蓄热、释热运行模式和冬季纯取热运行模式的换热器进行结构优化。

2物理模型土壤蓄热与土壤源热泵集成系统主要应用于工业余热、废热或太阳能比较富足的,以供暖为主供冷为辅的寒冷地区,在冬季对土壤蓄热、释热而言,地下管群换热器当作换热器和蓄热装置使用,因此该系统使用的地下埋管换热器具有土壤源热泵的换热和土壤蓄热双功能,所以亦称之为双重功效地下管群换热器。

为了减小土壤蓄热、释热过程中的热量损失及埋管换热器的占地面积,双重功效的地下管群换热器应采用垂直铺设的方式,其埋管换热器的结构形式通常有垂直U型管式、垂直套管式及垂直螺旋管式等。

本文研究的埋管换热器采用垂直U型管,同时为了减少土壤蓄热与土壤源热泵集成系统在蓄热与释热过程中的能量损失应尽量减少外层管的数量,所以管群的布置形式为等间距的八边形排列(见图1)。

管群的U型管总数为52根,其中内层管32根,外层管20根。

在冬季供暖时52根联供,夏季可隔根使用以此增大排热体积。

当在冬季纯取热工况下运行时,由于较大的管间距能减轻管间的热干扰问题,更有利于盘管取热,但是如果在冬季纯取热工况运行时仍采用以上的埋管布置形式和埋管间距,既影响到系统的取热性能,又不利于地温恢复以及系统的长期运行。

因此,当冬季纯取热工况下运行时,为保证埋管间距有利于系统的长期运行,只取管束中的部分埋管参与冬季取热工况的运行。

冬季纯取热工况埋管布置形式如图2所示,本文选取了4根内层管、8根外层管进行联管联供。

3土壤蓄热、释热过程的数学模型在土壤蓄热、释热过程中,地下埋管换热器与土壤的传热过程受诸多因素的影响,如盘管的埋深、尺图1　具有蓄热工况时地下管群换热器平面布置图图2　冬季纯取热工况时地下管群换热器平面布置图寸及盘管周围土壤的热物特性、土壤中水分的热湿迁移、埋管周围与土壤接触的紧密程度等。

为了使建立的数学模型能真实地描述盘管在土壤中的传热过程,并且便于问题的理论分析与求解,在建立土壤蓄热、释热过程的数学模型时作如下近似假设[4]:(1)土壤为各向同性、均质的刚性含湿多孔介质体,且含湿量均匀一致。

(2)盘管与土壤间以纯导热的形式进行热量的传递,忽略土壤中水分迁移的影响。

根据M.Piechowski 的研究,认为在换热过程中因土壤热量传递引起的水分迁移而导致的土壤导热系数的变化较小,伴随水分迁移而迁移的热量,相对于总的热量传递可以忽略不计(误差小于5%),故作这样的假设。

(3)忽略U 型管管壁与回填材料、回填材料与土壤之间的接触热阻,认为埋管与回填材料、回填材料与孔壁接触紧密。

(4)土壤、回填材料和U 型管的初始温度一致。

(5)忽略土壤表面与周围环境的辐射换热。

本文针对地下埋管换热器管群实际模型进行模拟分析,采用整场模拟进行整体求解的方法。

该土壤蓄热、释热过程的数学模型主要建立在如下几个能量平衡方程上。

(1)管内流体的能量平衡方程:9t f 9τ=-u 9t f 9τ+αf 92t f 9x 2+92t f 9y 2+92t f9z 2(2)管壁的能量平衡方程:9t p 9τ=αp 92t p 9x 2+92t p 9y 2+92t p9z 2(3)回填材料区域的能量平衡方程:9t b 9τ=αb 92t b 9x 2+92t b 9y 2+92t b9z 2(4)土壤区域的能量平衡方程:9t s 9τ=αs 92t s 9x 2+92t s 9y 2+92t s9z 2(5)初始条件:t f =t p =t b =t s =t 0(τ=0)(6)边界条件:地下管群换热器顶部的边界条件-λ9t s 9n |z =0=h w (t s -t a )地下管群换热器底部的边界条件9t s9n |z =z b=0地下管群换热器的远边界条件　t s |r f=t 0流体入口条件　t f =t i 以上各式中下标,f 表示流体,p 表示盘管,b 表示回填材料,s 表示土壤,α表示大气。

u 为流体的流速,m/s ;λ为导热系数,W/(m ・℃);t 为温度,℃;τ为运行时间,s ;α表示热扩散率,m 2/s ;h w 为地表面对流换热系数,W/(m 2・℃);r 为距管束中心的距离,m 。

4数值模拟与分析在上述模型建立的基础上,对集成系统在土壤蓄热、释热工况时地下管群换热器不同管间距(D =016m 、018m 、110m )情况下进行模拟计算。

冬季系统进行3d 预蓄热,然后进行8h 释热、10h 蓄热、6h 停机的以日为周期的正常蓄热、释热运行30d 。

模拟计算时采用的各项参数见表1。

表1　不同埋管间距时蓄热、释热运行的模拟条件盘管内/外径/mm 20/24管内流体类型水土壤类型砂砾管脚间距/mm 40土壤初始温度/℃15埋管管材HDPE 钻孔内径/mm 100蓄/释热入口水温/℃30/60远边界/m9井深/m40管内流体流速/m ・s -10.5回填材料碎石粘土 图3(a )、(b )、(c )是不同管间距的地下管群换热器32根内层管总的日蓄热、释热量的变化曲线图3　不同埋管间距下的内层管总的日蓄热、释热量图。

由图3可知,管间距的大小对内层管的蓄热、释热产生了较为明显的影响。

系统在进行3d 的预蓄热之后开始进入正常周期性运行状态,对于间距为016m 而言,由于前期预蓄热的作用效果,进入正常周期性运行状态后,日释热量大于日蓄热量,随后日蓄热量逐日增大、日释热量逐日减小,直至日蓄热量大于日释热量且差值不再变化,此时系统达到稳定运行状态。

对于间距为018m 、110m 而言,日蓄热量逐日减小,而日释热量逐日增大,当系统达到稳定运行状态时,日蓄热量与日释热量之间的差值几乎不再变化。

当以上3种管间距的系统进入稳定运行状态后,间距为016m 的日蓄热量与日释热量的差值为169MJ ,达到稳定运行所需的时间为25d 。

当间距为018m ,系统的日蓄热量比间距为016m 的日蓄热量增加了1301178MJ ,而日释热量减少了541158MJ ,系统达到稳定运行所需的时间为20d 。

当间距为110m ,系统的日蓄热量比间距为016m 的日蓄热量增加了3261793MJ ,而日释热量减少了1101963MJ ,系统达到稳定运行所需的时间为30d 以上。

由此可见,随着管间距的增加日蓄热量逐渐增大,而日释热量逐渐减小,日释热率(日释热量/日蓄热量)就逐渐减小。

造成这种情况的原因是因为埋管间距决定了有效蓄热体的总热容量,间距大有利于蓄热的进行,同时也由于间距的增大使得来自系统的热量传递损失和热层热量损失也增加。

因此,选择较小的间距有利于系统的蓄热与释热效率的提高。

图4　不同埋管间距下的外层管总的日蓄热、释热量 图4(a )、(b )、(c )是不同管间距的地下管群换热器20根外层管总的日蓄热、释热量的变化曲线图。

在系统完成3d 预蓄热后的运行阶段,对于不同埋管间距,外层管日蓄热量与日释热量间的差值随埋管间距的增大而增加,日释热率(日释热量/日蓄热量)随埋管距的增大而减小,在系统运行30d 后,分别为52132%、43162%、34170%。

这是由于埋管间距增大时,埋管周围的土壤总热容量增加,同时外边界的传热面积增大也使得热量损失随着增大,因此要求的蓄热量也不断增大,同时释热量却随着埋管间距的增大而减少。

因此,在内层管的管间距一定的情况下可减小外层管的管间距以此来减少外边界的传热面积,从而可以达到提高释热效率的目的。

对集成系统冬季纯取热工况时地下管群换热器在不同管间距(D =016m 、018m 、110m )情况下进行模拟计算。

系统进行8h 取热、16h 停机的以日为周期正常运行30d 。

模拟计算时采用的各项参数见表1。

其模拟计算的结果如图5、6所示。

不同埋管间距下的平均每根内、外层管日取热量情况分别见图5、6所示(两图中标示的管间距016m 、018m 、110m 分别为相应的夏季盘管间距)。

从图中可见,间距越大系统的日取热量越高,并且随着运行时间日取热量逐渐降低。

以系统运行的第1d 至第30d 为例,对于内层管而言,当管间距为016m 时,平均每根内层管的日取热量从121158MJ降低到77126MJ 。

当管间距为018m 时,平均每根内层管的日取热量从121186MJ 降低到86153MJ 。

当管间距为110m 时,平均每根内层管的日取热量从122140MJ 降低到92110MJ ;对于外层管而言,当管间距为016m 时,平均每根外层管的日取热量从121161MJ 降低到86115MJ 。

当管间距为018m 时,平均每根外层管的日取热量从121182MJ 降低到91187MJ 。