基于Fluent/Matlab地下水逆流流速对热泵的影响*

安笑媛

(1.长春建筑学院城建学院 长春 130607； 2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室 长春 130022)



节能减排与综合利用

基于Fluent/Matlab地下水逆流流速对热泵的影响*

安笑媛1，2

(1.长春建筑学院城建学院 长春 130607； 2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室 长春 130022)

通过建立Fluent/Matlab协同仿真模型，可以动态模拟地下水源热泵运行特性，为拟建工程提供理论参考。通过模拟计算得知，地下水横流为逆流有助于抑制地下含水层的热贯通，随着逆流流速的不断增大，抽灌井群发生热贯通的时间不断延长。逆流流速越大，抽水温度波动幅度越小，机组的COP(EER)值及系统能效越趋于稳定。当地下水逆流流速处于较大流速时，回灌水对抽水井不产生任何影响，抽水温度维持地下水初始温度不变，机组的COP(EER)值及系统能效比均不发生变化。

Fluent/Matlab 逆流 流速 热泵性能

0 引言

地下水源热泵系统作为现代社会一种新型的同时能起到较好节能环保效果的空调系统，由于地下水温度波动范围较小，接近恒定，可利用制冷剂蒸发吸热使得从地下含水层中“取”出来低品位能量变为高品位能量来达到冬季时对建筑物供暖的目的，把温度较低的地下水通过回灌井重新灌回到地下含水层中；将制冷剂蒸发吸收的建筑物内的余热通过冷凝器转移到地下水中从而达到夏季时对建筑物制冷的目的[1]。

根据目前研究结果分析可知，地下水源热泵系统性能参数主要受不同地下水流向、地下水流速等影响[2-4]。地下含水层自然流动方向沿着抽水井群指向回灌井群的水流方式称为地下水逆流。本文主要在地下水流向一定的前提条件下，分别选取了无流速态(v=0 m/s)、较低流速态(v=3.1×10-6m/s)和较高流速态(v=6.3×10-6m/s)3种典型地下水流速来研究逆流流速对热泵性能参数的影响。

Fluent流体力学软件可利用计算机，运用近代流体力学与数值方法对流体的各类问题进行数值计算、模拟和分析，替代耗资巨大的流体力学实验[5]。利用Matlab软件，根据热泵机组传热机理及热力特征表征，可对热泵机组进行建模仿真。本文结合构建Fluent/Matlab协同仿真模型，能够更好地利用Fluent，Matlab软件的优势，通过仿真模拟更加真实地反映逆流态下不同地下水流速对热泵机组性能参数的影响，为实际工程中利用地下水能量的前期设计提供理论参考。

1 数学模型的建立

地下水微分方程为：

(1)

对应此时刻各点的温度值：

(2)

式中，Ω为计算区域；t∞为半径方向无穷远处的温度，℃；t(x,y)为某点用于计算热传导的初始温度；Γ为计算区域的边界。

根据热泵机组热平衡原理[6]，可利用热泵实验性能曲线和性能参数建立数学模型。

2 数值模拟

本文按照实际物理模型，采用ICEM软件建立几何模型。具体参数如如所表1所示。

表1 模型计算共性条件

速度边界为各井壁出入口边界，采用等流量均匀抽灌，流入含水层的回灌水为正，抽出为负。水文地质条件参照东北地区进行选取，岩土含水层基本物性参数根据第四纪的粗砂、沙砾和圆砾层进行设定，其参数如表2所示[7]。

表2 岩土含水层物性参数

本文采用的是以网格单元的二维、单精度、非稳态分离解算器为基础对多孔介质模型进行含水层水热耦合传热模拟，算法采用耦合隐式求解，在求解过程中采用迭代法，每个时间步最多迭代次数选为20次，以一阶迎风格式作为迭代离散格式。根据不同步长试算分析，确定时间步长为14 400 s(即4 h)，采暖期求解步数为1 008步即168 d，制冷期为372步(即62 d)。

3 Matlab与Fluent协调仿真模型建立

协同循环仿真具体流程如图1所示。图中左半部分是计算地下水源热泵的地上侧，通过Matlab软件可以对热泵机组的输出功率、冷凝器出口流体温度(夏季为蒸发器)、水泵及风机耗功进行动态计算[5]，从而可以得出系统的COP等性能参数值。右半部分是通过Fluent软件对部分的地下水源热泵抽灌井群进行模拟计算，可以得出地下含水层温度场的变化[8]。将两个软件的数据进行互递，便可得到图中中间位置的数据共享部分，从而形成了地上与地下的闭环耦合模拟。因此，利用此模型可对地下水源热泵运行特性进行动态模拟[9]。

图1 协同循环仿真流程图

4 仿真结果分析

4.1 抽水温度

图2为逆流模式下抽水温度随不同地下水横流流速变化的曲线图。

由图可知，地下水横流流速和抽水温度的波动幅度成反比。当地下水流速v=6.3×10-6m/s时，抽水温度不发生变化，即维持地下水的初始温度285 K不变。当地下水横流流速v=3.1×10-6m/s时，抽水温度比较恒定。当地下水横流流速v=0 m/s时(即忽略地下水横流流速)，地下水周期波动幅度最大，抽水温度呈周期波动下降趋势。由此可知，对于地下水横流呈现逆流时，地下水横流流速与抽水温度波动幅度成反比，当地下水横流流速一定，抽水温度一直保持和地下水初始温度相同。

图2 地下水不同流速下抽水平均温度变化(逆流)

图3为抽水温度在逆流模式下随不同地下水流速年平均变化曲线图。

(a)供热期

(b)制冷期

由图可以看出，当地下水横流流速v=0 m/s时，抽水温度在供热周期及制冷周期下降幅度都较大，近乎直线下降。地下水横流流速v=6.3×10-6m/s时，供热与制冷期抽水年平均温度未发生变化，维持地下水流初始温度。当地下水逆流流速v=3.1×10-6m/s时，抽水温度在系统运行的第二个周期后开始下降，但下降幅度非常小，系统发生热贯通后每年抽水平均温度几乎维持一个定值，每个运行周期抽水温度在系统发生热贯通后保持同一的变化规律。

4.2 能效比

图4与图5为逆流模式不同地下水流速度时水源地能利用热泵系统运行期间机组的COP(EER)值及系统能效比。图中柱状图表征机组COP(EER)变化，散点图表征系统能效比变化。

图4 不同流速机组COP及系统能效比(逆流)

图5 不同流速机组EER及系统能效比(逆流)

由图4可知，供热周期内，地下水流速度v=0 m/s时，随着系统运行时间的延长，热泵机组COP及系统能效比值迅速下降。地下水逆流速度v=3.1×10-6m/s时，第二个运行周期机组的COP值及系统的能效比与第一个运行周期相比稍有下降，但自第二个运行周期后，机组COP值及系统能效比恒定不变。当地下水逆流流速v=6.3×10-6m/s时，机组COP值及系统的能效比在系统运行周期内保持不变。

由图5可知，制冷周期内，当地下水流速度v=0 m/s时，随着系统运行时间的延长，机组EER值及系统能效比呈上升趋势。随着地下水逆流流速的增大，机组的EER值及系统能效比趋于稳定，地下水逆流速度v=3.1×10-6m/s时，机组的EER值及系统能效比变化不明显。地下水逆流流速v=6.3×10-6m/s时，机组的EER及系统能效比值均不发生变化。由此可知，系统运行特性在地下水为逆流时会随地下水自然流动速度的增大而趋于稳定。

5 结语

(1)通过建立Fluent/Matlab协同仿真模型，将房间负荷受室外温度变化的影响动态地叠加到地下管群上，地下含水层温度场的变化耦合至地上热泵系统中，动态地分析出水源热泵对地下温度场、热贯通程度及热泵机组COP等特性参数在逆流时受不同流速影响而发生的变化，可为拟建工程提供理论参考。

(2)地下水横流为逆流时，对于抑制系统的热贯通有帮助作用，地下水逆流流速与抽水井抽水温度波动幅度成反比，抽水温度在地下水横流流速不变时会和地下水初始温度保持一致。

(3)逆流流速越大，机组的COP(EER)值及系统能效比越趋于稳定，当地下水横流流速达到较高流速时，机组的COP(EER)值及系统能效比均不发生变化。

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The Influence of the Groundwater Flow Rate in Upstream Flow on the Groundwater Heat Pump Based on Fluent/Matlab

AN Xiaoyuan1,2

(1.CollegeofUrbanConstruction,ChangchunArchitectureandCivilEngineeringInstituteChangchun130607)

In this paper the performance of groundwater heat pump is dynamically simulated by establishing Fluent/Matlab co-simulation model, which can be served as theoretical

for proposed project. Simulation indicates that the countercurrent helps suppress the heat transfixion of ground aquifer and with the increase of the countercurrent flow rate, time of heat transfixion will be extended. The greater the velocity of countercurrent, the less the pump temperature fluctuates and the more stable the COP (EER) and the energy efficiency is. The pumping will not be affected by back irrigation with large velocity of counter current, the pumping temperature will stay at the initial temperature of groundwater and so the COP (EER) and energy efficiency rate will all not be changed.

Fluent/Matlab upstream flow velocity of flow heat pump performance

国家自然科学基金(51376080)。

安笑媛，女，1984年生，讲师，硕士研究生，研究方向为可再生能源高效利用与传热强化。

2016-04-07)