基于 Fluent／M atlab的地下水流速对交叉流模式热泵性能的影响分析*

张淑秘白莉王晓阳

（1.吉林建筑大学市政与环境工程学院 长春130118；2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室 长春130022）

基于 Fluent／M atlab的地下水流速对交叉流模式热泵性能的影响分析*

张淑秘1白莉1王晓阳2

（1.吉林建筑大学市政与环境工程学院 长春130118；2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室 长春130022）

为了分析地下水源热泵系统地下水交叉流对系统性能参数的影响，基于Fluent／Matlab搭建了协同仿真平台，对多年运行的地下水源热泵系统进行了仿真计算。通过分析可知，当地下水流速较高时，年平均抽水温度保持含水层的初始温度不变 ，机组COP（EER）及系统能效比在运行周期内保持不变；地下水流速越大 ，热泵系统抽水温度越趋于稳定，地下水冷水锋面越远离抽水井向水流下游偏移，抽水井附近含水层温度场越稳定，机组COP及系统能效比值越高，于维持系统的长期稳定运行越有利。

Fluent／Matlab 交叉流 流速 热泵性能

0 引言

地下水源热泵系统根据地下含水层中水温比较恒定的特点 ，冬季从地下含水层中将低品位的能量“取”出来，对建筑物进行供暖后，通过回灌井重新回灌至地下含水层中；夏季将建筑物内的余热转移至地下含水层中达到制冷的目的［1］。地下水流向、流速不同对热泵机组性能参数的影响也不同［2－4］。以地下水交叉流为前提，分析不同流态对热泵机性能参数的影响及地下含水层热运移的变化规律，为拟建工程提供理论指导。抽灌水井群的连线方向与地下含水层自然流向相垂直的水流方式称为地下水交叉流。本文对地下水流速分别选取0m／s（即忽略地下水流动）、v＝3.1×10－6m／s的较低流速态与v＝6.3×10－6m／s的较高流速态3种典型情况进行对比分析。

地下水源热泵系统用能过程是一个动态的变化过程 ，单独的三维计算不能依据地上系统的动态变化赋予三维模型变化历程中的边界条件，现结合Fluent与Matlab软件专长［5］，将地下三维数值模块与地上一维计算有机地关联在一起，通过一维计算进行三维仿真的上位控制，进而对各热力系统的热力特性和能量特性进行数学实现，建立地能利用系统集成分析数值计算方法 ，形成地下源端与地上端模块闭环耦合计算，仿真计算结果更贴近系统的真实运行模式 ，更直观地反映出不同流态下热泵机组性能参数的变化，优化系统设计及运行管理。

1 热泵机组数学模型的建立

将机组组成部件看成一个整体，在热泵机组热平衡原理［6］的基础上，根据机组性能曲线和性能参数建立热泵机组供热、制冷拟合方程，根据拟合方程建立热泵机组仿真模型。

（1）热泵机组供热工况：

式中，qex为热泵机组吸热量，W；ah，bh，ch，dh，eh，fh为热泵机组供热性能参数；qhe为建筑物热负荷，W；P1为热泵机组输入功率，W；ten为热泵蒸发器进口流体温度，℃。

（2）热泵机组制冷工况：

式中，qco为建筑物冷负荷，W；qre为热泵机组放热量，W；ac，bc，cc，dc，ec，fc为热泵机组制冷性能参数。

2 数值模拟

按照实际物理模型建立几何模型 ，同时对模型进行网格划分，并对网格的独立型和收敛一致性进行了模型验证。抽灌水井群采用单列顺排对置式［7］进行布置，地下水初始温度285 K，抽灌井数目为2口抽水井、2口回灌井，井径为0.6m，计算域为500m×500 m，同类井间距为40m，抽灌井间距150m。抽水井与回灌井采用相同结构 ，均为承压井。忽略含水层水位变化与地下水横流带来的影响，假定单井涌水量丰富，单井抽灌量取50m3／h。

按第四纪的沙砾、粗砂和圆砾层设定地下岩土含水层基本物性参数 ，经计算含水层孔隙度为0.3，地下水导热系数为0.6W／（m·K），地下水比热为4 182 J／（kg·K），地下水密度为998.2 kg／m3，含水层导热系数为2.2W／（m·K），含水层密度为1 900 kg／m3，含水层比热为700 J／（kg·K）。

进行多孔介质地下含水层水热耦合传热模拟时，以Fluent为平台，算法采用耦合隐式；通过不同步长试算分析 ，最终选取14 400 s（即4 h）为一个时间步长；采用迭代法求解，求解过程中选用一阶迎风作为迭代离散格式；迭代次数选择时每个时间步最多迭代20次；以东北地区某市为例，采暖期根据规定为168 d，即求解步数按1 008步进行迭代计算，制冷期由于没有明确规定，本文设定为62 d，即求解步数按372步进行迭代计算；地下温度场等温线可视化时采用CFD专用软件Tecplot进行后处理。

3 搭建Matlab／Fluent协调仿真平台

由于Matlab，Fluent需要为彼此提供数据输入 ，因此两软件数据交换时按照并行协同仿真模式进行［8］。抽灌井群的数值模拟采用Fluent软件进行仿真计算 ，可算出因回灌水温度的动态变化引起含水层温度场的演变。地下水源热泵系统地上侧的仿真模拟 ，通过Matlab一维仿真可以计算出热泵机组蒸发器出水温度、水泵风机耗功及机组输出功率等的时间变化，进而计算出系统性能参数的演变。Matlab，Fluent可从地上一维、地下三维的数据共享部分交替提取数据，完成了地上、地下侧系统的数据互递，形成了热泵系统完整的闭环耦合模拟计算 ，最终搭建了地下水源热泵系统Matlab／Fluent协调仿真平台。

4 仿真结果分析

4.1 抽水温度

图1为不同流速下交叉流热泵机组抽水温度变化曲线图，由图可知，当忽略地下水自然流动时，抽水温度呈周期波动下降趋势，系统运行至第5个周期时，抽水温度已经下降至283.2 K左右。随着地下水自然流速的不断增大，抽水温度波动幅度减缓，当地下水流处于较低流速时，在全部运行周期内，抽水温度变化幅度较小，整体趋于稳定。随着地下水横流流速的不断增大，当交叉流处于较高流速态时，抽水温度在5个运行周期内发生极微弱的变化。由此可见，对于交叉流，地下水流速越大，地下水源热泵系统抽水温度越趋于恒定，对于维持系统的长期运行越有利。

图1 交叉流抽水平均温度变化

4.2 地下温度场变移

图2为不同地下流速的交叉流，在不同采暖周期结束时地下含水层温度场等值线图。从图中可以看出，当忽略地下水自然流动时，第1采暖期结束时抽水井未受到回灌行为的影响，随着运行时间的延长，回灌行为开始影响抽水井，第3采暖周期结束时，抽灌水井群已发生严重的热贯通。当地下水横流处于较低流速态时 ，在系统运行周期内，只有1口抽水井受回灌行为的影响。当地下水横流处于较高流速态时 ，抽水井在运行周期内未受到回灌行为的影响，抽水温度维持地下含水层的初始温度。同时地下水流速越大，回灌行为产生的冷水锋面偏离抽水井距离越远。

由此可见，对于地下含水层为交叉流的热泵系统，地下含水层流速越大，回灌行为引起的冷水锋面越远离抽水井，越沿着交叉流向水流下游移动，抽水井井群区域受到回灌行为的影响越小，抽水井附近含水层温度场越稳定。

图2 叉流地下含水层温度场分布

4.3 能效比

为了分析不同流速对热泵机组COP（EER）及系统能效比的影响，根据协同循环仿真计算方法得出的数据绘制供热周期及制冷周期内热泵机组性能参数变化，如图3及图4所示，图中柱状图表征机组COP变化，折线图表征系统能效比。由图3可以看出，在供热周期内，地下水流速较高时，对于交叉流热泵机组COP值及系统能效比均最高，且在整个运行周期内保持不变。当地下水流速较低时，机组COP值及系统能效比值较高流速态时稍有下降，但下降幅度较小。当忽略地下水横流时，机组的COP值及系统的能效比均最小，且随着运行周期的延长不断降低。

由图4可知，地下水自然流动为交叉流时，当忽略地下水横流时，随着系统运行时间的延长，热泵机组的EER及系统的能效比均不断增大。当地下水自然流速较低时，机组的EER值及系统的能效比均发生微小变化。当地下水流速较高时，在系统运行周期内，热泵机组的EER值及系统的能效比维持恒定值不变。

图3 交叉流机组COP 及系统能效比

图4 交叉流机组EER及系统能效比

5 结语

（1）对于地下含水层为交叉流的热泵系统，地下水流速越大，系统抽水温度越趋于恒定，对于维持系统的长期运行越有利；当地下水处于较低流速态时，供热周期及制冷周期内抽水温度稍有下降。

（2）地下含水层流速越大 ，回灌行为引起的冷水锋面越远离抽水井，越沿着交叉流向水流下游移动，抽水井井群区域受到回灌行为的影响越小，抽水井附近含水层温度场越稳定。

（3）地下水流速越大，机组COP及系统能效比值越高，当交叉流处于较高流速态时，机组COP（EER）及系统能效比在运行周期内保持不变。

［1］周学志.抽灌水井群地下水运移能量传输及其传热研究［D］.长春：吉林大学，2013.

［2］丛晓春，杨文斐.地下承压含水层水－热运移特性的模拟研究［J］.太阳能学报，2008，29（11）：1390－1394.

［3］王大纯，张人权，史毅虹 ，等 .水文地质学基础［M］.北京：地质出版社 ，1995.

［4］周彦章，陈耿.含水介质地下水热量运移研究综述［J］.黑龙江水专学报，2008，35（2）：125－126.

［5］谢海滨，张代兵 ，沈林成.基于MATLAB／SIMULINK与FLUENT的协同仿真方法研究［J］.系统仿真学报，2007，19（8），1824－1827.

［6］SPITLER JD.GLHEPRO－A design tool for commercial building ground loop heat exchangers［C］.Proceedings of the Fourth International Heat Pumps in Cold Climates Conference.Aylmer，2000.

［7］陈响亮.抽灌井群热交互性及其布控特性研究［D］.长春：吉林大学，2011.

［8］贺明艳.质子交换膜燃料电池动态模拟仿真［D］.上海：同济大学，2009.

Influences of the Groundwater Flow Rate in Cross Flow on the Groundwater Heat Pump Based on Fluent／Matlab

ZHANG Shumi1BAILi1WANG Xiaoyang2
（1.School ofMunicipal and Environmental Engineering，Jilin Jianzhu UniversityChangchun130118）

To analyze theeffectof groundwater sourceheat pump system for cross－flow of groundwater system performance parameters，this article is based on Fluent／Matlab to build the collaborative simulation platform，the underground water source heat pump system for years running carried on the simulation calculation.Through the dataanalysis：Thegroundwater source heatpump flowsunder thegroundwater cross flow，the differentgroundwater flow rate differently affects theheatpump system performance parameters.The larger flow velocity is，themore stable the pumping system temperature is and themore favorable the long－term stable operation system is.When the groundwater flow rate is in a high velocity state，the annual average pumpingwater temperature keeps the aquifer initial temperature constantand theunitCOP（EER）and system energy efficiency remains unchanged in theoperation cycle.Thegreater thegroundwater flow rate is，thegreater the cold front is far away from the pumpingwell to thewater downstreammigration，themore stable pumpingwellsnear the aquifer temperature field is and the higher the unitCOPand system energy efficiency ratio is.

Fluent／Matlab cross flow flow velocity heat pump performance

张淑秘，女，1980年生，副教授，博士，研究方向为地热能利用及其传热。

2015－11－20）

国家自然科学基金（51376080）。