严寒地区土壤源热泵系统供暖工况地温变化模拟

王鹏轩 白 莉

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118)

土壤源热泵系统作为新型能源利用技术被广泛应用[1].冬季,热泵系统通过地埋管从土壤中取热对建筑物供暖；夏季,系统将热量排入土壤对建筑物供冷.因此，地埋管与土壤的换热性能决定了土壤源热泵系统的运行效率,而地埋管周围土壤温度的变化是决定地埋管换热性能的关键因素,进而也影响着热泵系统的性能,所以，要使土壤源热泵系统长期稳定的运行,就必须了解地埋管周围土壤的温度变化[2-3].在严寒地区,供暖期很长,全年冷热负荷不均衡,热泵系统从土壤中的取热量大于回热量,这样系统在长期运行后土壤温度降低,加上严寒地区土壤温度本身较低,会使土壤冷堆积现象更加严重.笔者拟对长春市某工程在冬季工况下运行特性进行模拟计算,分析土壤在冬季工况下的温度变化,为土壤源热泵的设计和运行管理提供参考.

1 长春市某土壤源热泵工程情况介绍

长春市地处北半球中纬地带,东经124°18′～127°02′,北纬43°05′～45°15′.春季干燥多风,夏季湿热多雨,秋季天高气爽,冬季寒冷漫长,年平均气温4.8℃,最高温度39.5℃,最低温度-39.8℃,属于严寒地区.长春市规定每年10月25日～次年4月15日为采暖期.长春地区暖通室外设计气象参数见表1.

本文根据长春市某工程实例进行模拟研究,该工程为六层框架结构的大型公共节能建筑,总建筑面积20 000m2左右,主要功能有教室、画室、报告厅、实验室、办公室等,采用土壤源热泵系统来满足建筑供暖、供冷需求.该工程土壤源热泵钻孔总数120个,井深100m,孔径180mm,地埋管管径32mm,钻孔间距5m.

表1 长春地区暖通室外设计气象参数

2 地埋管换热器传热模型

图1 土壤源热泵地埋管换热器结构

土壤源热泵地埋管换热器结构如图1所示,传热介质在其中流动方向相反,一进一出构成闭式循环回路[4].由于地下传热是一个非常复杂的过程,对模型简化假定如下:

(1) 土壤是均匀的,而且在整个传热过程中,土壤的热物性不变;

(2) 忽略土壤中湿迁移和地下水影响;

(3) 忽略地表温度波动对土壤温度的影响,土壤温度均匀一致;

(4) 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.

2.1 导热微分方程的确定

(1)

式中,Tg为土壤温度,℃;t为时间,S;λg为土壤导热系数,W/(m·℃);ρg为土壤密度,kg/m3;cg为土壤比热,J/(kg·℃ );r为U型管半径,m.

2.2 等效管径的确定

由于地埋管采用垂直U型管,两管间距很近,相邻两管壁会产生相互影响,因而其外表面与土壤的换热是不均匀的,为了简化计算,将U型管的两管用一根等价管代替其当量半径.

图2 计算区域管群平面布置

(2)

式中,r为U管半径.

2.3 定解条件

(1) 初始条件. 将原始大地看成是等温体,根据地层热物性测试所测得土壤初始温度为12℃.

图3 管群周围土壤单元网格

(2) 边界条件. 等效管外壁为第二类边界条件,当热泵运行时

(3)

式中,q为单位钻孔散热量,W/m;

(4)

(5)

2.4 传热模型的建立

表2 土壤源热泵系统热物性参数

3 动态模拟结果及分析

土壤源热泵系统模拟时间段为10月25日至次年4月15日(采暖期).如图4所示，热泵系统从2013年10月25日初始连续运行30d埋管周围温度场的变化情况.从图中可以看出，在换热器布置区域内,换热器从土壤中吸取热量,土壤温度有所下降,地埋管中心位置下降较为明显,为11℃,与土壤初始温度相比下降1℃,距离换热器较远土壤降幅较小，在0.3℃～0.5℃之间,为11.5℃左右;由于系统运行时间短,每个换热器对周边土壤温度的影响范围是有限的,换热器相互之间尚未出现明显干扰.

随着系统继续运行,如图5所示系统在连续运行90d后,井群布置区域内土壤温度继续下降,换热器对土壤温度的影响范围也在扩大,中心位置土壤温度下降为10.5℃,比土壤初始温度低1.5℃,周围土壤降幅也在0.5℃～0.8℃之间为11.0℃,同时在管群内部换热器相互之间开始出现明显的热干扰现象.

在供暖期结束后,换热器对周围土壤影响范围继续扩大,换热器之间的热干扰现象加剧,位于中心位置的四个埋管对周围土壤温度影响明显,逐渐形成低温区域,冷堆积现象产生,此时换热器中心温度降幅较大,土壤温度为9.3℃,周围土壤温度也降为10.5℃,如图6所示.在结束整个冬季工况的运行后,如图7所示,埋管群周围土壤温度随运行时间的增加温度逐渐降低,最终降为11.3℃,与土壤初始温度相比下降了0.7℃.

图4 供暖30d后温度场变化 图5 供暖90d后温度场变化 图6 供暖期结束后温度场变化 图7 土壤平均温度变化曲线

4 结语

(1) 从土壤源热泵系统在冬季工况的模拟运行结果来看,随着系统的运行时间的增加,换热器对土壤温度的影响范围逐渐加大,同时换热器互相干扰情况加重,土壤温度场温度降低,土壤冷堆积现象已显雏形;

(2) 对于严寒地区特殊的气候条件来讲,经过一个冬季工况的运行后,土壤温度比初始温度降低了0.7℃,导致热泵系统cop降低;

(3) 在严寒地区,土壤源热泵系统经过供暖工况后,土壤温度场温度降低,系统长期运行后,土壤温度降低会导致热泵系统运行效率降低,影响系统使用寿命,因此，在土壤源热泵系统的设计和运行管理中要考虑到对土壤的热补偿措施,使土壤温度回升,这样，土壤源热泵系统在严寒地区才能长期稳定的运行.

参 考 文 献

[1] 李元旦,张 旭.土壤源热泵的国内外研究和应用现状及展望[J].制冷空调与电力机械,2002,85(1):4-7.

[2] M.Y.Zheng,Y.S.Zhi,Y.Lin.Study of Heating and Cooling System with Solar Heat Soil Storage in Severe Cold Area[C].Proceedings of the 2003 4th International Symposium on Heating,Ventilation and Air Conditioning.Beijing,2003.

[3] M.Y.Zheng,D.M.Wang,Y.S.Zhi.The Study of Heating and Cooling Techniquewith Solar Energy in Severe Cold Area[C].Energy and the Environment.Proceedings of the International Conference on Energy and the Environment,Shanghai,2003.

[4] 郑 平,吴 明,张国忠,缪 娟.寒区土壤源热泵带相变温度场数值模拟[J].石油化工高等学校学报,2010,23(1):72-73.