某住宅小区地埋换热器温度场研究_黄太松.pdf

201917 技术应用与研究 32Modern Chemical Research 当代化工研究 某住宅小区地埋换热器温度场研究 ＊黄太松1 王凯2 郭二宝2 （1.安徽华冶新能源科技有限公司 安徽 230088 2.安徽建筑大学环境与能源工程学院 安徽 230601） 摘要土壤源热泵系统能否长期稳定地运行取决于土壤温度场的恢复特性。利用DEST-H软件建立合肥某高层住宅小区建筑群模型，运用 FLUENT软件模拟分析了土壤源热泵经过夏季和秋季后地埋管周围土壤温度场的变化情况，指出冷却塔补偿式土壤耦合热泵间歇运行有利于 促进土壤温度场的恢复，对于夏热冬冷地区土壤源热泵性能提升具有一定的工程推广应用价值。 关键词土壤源热泵；地埋管换热器；温度场；土壤热平衡 中图分类号TU962 文献标识码A Study on Temperature Field of Buried Heat Exchanger in A Residential Area Huang Taisong1, Wang Kai2, Guo Erbao2 1.Anhui Huaye New Energy Technology Co., Ltd., Anhui, 230088 2.School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University, Anhui, 230601 AbstractThe long-term stable operation of soil source heat pump system depends on the recovery characteristics of soil temperature field. Using the DeST - h model of Hefei a high-rise residential buildings, using the FLUENT software to simulate software of soil source heat pump are analyzed through the summer and autumn season recovery after the change of soil temperature field around the buried pipe, points out that the cooling tower compensating soil coupling heat pump intermittent operation is beneficial to promote the recovery of soil temperature field, for the hot summer and cold winter region soil source heat pump perance has a certain value for engineering application. Key wordssoil source heat pump；buried tube heat exchanger；temperature field；thermal balance of soil 1.引言 土壤源热泵系统是一种利用浅层地热能的高效节能环保 型能源利用设备（图1），通过输入少量的高品位电能，即 可实现能量从低温热源向高温热源的转移。如果埋管换热器 的排热量与取热量不相等，热泵系统长期运行将会使土壤温 度得不到有效恢复，热泵机组运行效率降低。 图1 土壤源热泵工作原理示意图 夏热冬冷地区的夏季冷负荷明显大于冬季热负荷，制冷 运行时间也比供热时间长，系统向地下放热量大于取热量。 如果不遵守地下热平衡原则，随着土壤源热泵系统使用规 模的不断扩大，以及考虑到设计、施工、运行管理等诸多因 素，系统长期运行后地下“热堆积”超出了土壤自身对热量 的扩散能力，导致土壤温度逐渐偏离原始温度，系统的运行 性能降低。有关研究表明，即使该地区地下恒温带每年只升 高0.5℃，10年后该土壤源热泵系统就不能有效正常工作[1-2]。 所以，保证地下热平衡是土壤源热泵系统能否良好运行的关 键[3-4]。有学者指出通过合理设置冷却塔与地埋管换热器联合 运行（图2），可以减小埋地换热器的尺寸，降低工程造价， 同时还能使土壤源热泵间歇工作，有利于地下埋管换热器周 围土壤温度的恢复，从而提高土壤源热泵的运行效率[5-14]。 基于这些情况，本文针对合肥地区的典型工作条件下的垂直 U型埋管换热器附近岩土体的温度周期性变化及其恢复的情 况，进行实测分析，为合肥地区土壤源热泵系统性能提升和 工程推广应用提供一定的参考。 2.工程应用实例 1工程概况 以合肥市某高层住宅小区为例，该小区总建筑面积 65850m2，地下1层为设备用房，其余空间为车库（图3）。 小区利用冷却塔补偿式耦合土壤源热泵系统作为空调系统冷 热源，经计算，总冷负荷为4990kW，总热负荷2530kW，各栋 图2 冷却塔补偿式土壤耦合热泵系统 ChaoXing 201917 技术应用与研究33 Modern Chemical Research 当代化工研究 建筑的冷热负荷情况如表1所示。空调负荷具体在设计上体 现为土壤源热泵承担全部的冬季空调热负荷，承担部分的夏 季空调冷负荷，其余部分冷负荷以及高峰的冷负荷由冷却塔 来承担。 图3 高层住宅建筑群DEST-H立体模型图 2岩土热物性参数测试 地源热泵系统的核心是地埋换热器，而换热器周围的 地下水文情况以及土壤的温度、湿度都是影响换热器性能的 因素，因此，根据恒定加热热流法以获得可靠的土壤热物 性参数。根据地源热泵系统工程技术规范要求，共设4 个测试孔，测试孔的基本参数如下钻孔深度100m，孔径 150mm；钻孔完成后及时安装高密度聚乙烯管HDPE100、De25 双U管；安装结束后按照工程惯例采用黄砂、原浆及一定比 例膨润土的混合物进行注浆回填。 ①初始温度 测试仪60s自动采集、记录一次数据，并连续采集2h， 待流量、压力稳定后开始采集数据，测得测试孔1和测试孔4 初始温度如图4和图5所示。 图4 测试孔1初始温度 图5 测试孔4初始温度 ②放热工况 获得测试孔初始温度后，开启加热开关进行恒定加热 流测试，60s自动采集、记录一次测试数据，连续测试24h以 上，循环水流速0.6m/s，测得测试孔1和测试孔4供水、回水 温度曲线如图6和图7所示。 图6 测试孔1供、回水温度变化曲线 图7 测试孔4供、回水温度变化曲线 通过放热测试分析，可知测试孔1测得岩土初始温 度17.5℃，岩土体平均导热系数1.576W/mk，岩土体 比热容2.212106J/m3k；测试孔4测得岩土初始温度 17.3℃，岩土体平均导热系数1.515W/mk，岩土体比热 容2.037106J/m3k。土层初始温度与合肥全年平均温 度相当，测试得到土壤初始温度为17.4℃，地温适宜；土壤 平均综合导热系数1.546W/mk，导热性能较好，且波动 较小，说明本小区地下土壤具有较好的换热能力，地埋换热 器换热量较高，实施土壤源热泵系统可行。 3地埋换热器系统设计 ①埋管形式 地埋换热器埋管形式见图8，在井内采用U型且与地面垂 直的形式进行换热管埋设，孔内使Φ20HDPE管与Φ28HDPE管 两组并联。 表1 各栋建筑的冷热负荷 序号名称 建筑面积 （m2） 冷负荷 （kW） 热负荷 （kW） 11号楼160001120560 22号楼9000630315 33号楼6500455230 44号楼11450800400 55号楼150001050525 6商业建筑70001225735 7幼儿园9009045 8小计6585053702810 9实配49902530 ChaoXing 201917 技术应用与研究 34Modern Chemical Research 当代化工研究 ②钻孔间距 根据工程实际情况，经过与甲方协商，在小区指定位置 设置钻井，钻井分8个区域，井深100m，钻井间距设置为4m。 ③钻孔孔径 地埋换热器钻孔直径在实际施工过程中一般设置在 110mm～200mm，本次设计中地埋管换热器钻孔直径选择为 Φ155mm。 ④埋管数量 考虑到设备运行期间土壤的温度变化及利于其恢复，在 满足冬季热负荷并且考虑到一定的负荷余量的条件下，经过 设计计算，最终确定埋管490个，保证换热器能满足地源热 泵系统运行要求。 4冷却塔 本次工程设计中，所需全部冷负荷为4990kw。以最常用 的COP值为6.0，进出水温差5℃的机组为例，经计算，要满 足峰值冷负荷，冷却水量不得低于780CMH，另外考虑到蒸发 损失、风吹损失、排污损失等损失水量，以循环水量850CMH 确定冷却塔（表2）。 图9 地埋换热器典型区域示意图 2模拟假设 地埋管换热器与其周围土壤之间的换热过程可以理解成 热量从一种介质通过另一种多层介质传到远处土壤中的过程， 而埋管周围土壤以及回填土是一种固液混合、密度不均以及多 孔的复杂物质。因此地埋管换热器周围物质的传热分为热传导 与热对流两类传热方式，在发生导热的同时伴随着由于水份迁 移而产生的对流传热，这是一个典型的传热传质过程。为了简 化问题以便于模拟分析，必须做出以下几点假设 ①将U型埋管附近土壤看作蓄热体，远处为温度恒定边 界； ②将换热器周围的复杂固液混合物看作均匀固体，假设 热量交换以导热形式进行； ③假设换热管内流体为理想工况即管内同一截面的流体 具有相同的温度与流速； ④忽略地下水渗流换热； ⑤忽略接触热阻和土壤湿迁移。 3网格划分 地埋管典型区域的网格划分见图10。 图8 垂直地埋管换热器剖面图 回填土 U形管 表2 冷却塔部分参数 项目内容数据备注 基本 参数 冷却塔型号CLH-600L*2方形横流式2台拼装 环境湿球温度29℃ 进塔温度37℃ 出塔温度32℃ 总循环水量850CMH 外形 尺寸 塔高6120mm 塔宽6740mm 塔长9600mm 噪声标准点67dBA 重量 净重11100Kg 运行重23600Kg 3.地埋管温度场数值模拟分析 群井埋管的取热、排热规律是明显不同于单井埋管的。 由于大规模实验通常耗资巨大，利用模拟软件来分析研究地 源热泵井群的换热规律是一种可行的办法。本文利用FLUENT 软件来模拟地埋管换热器周围土壤温度场的热平衡情况。 1埋管区域与结构 根据系统实际的运行以及钻井区域的地埋管换热器布置 的情况，对其典型区域（图8）进行先模拟后分析。考虑到 换热管埋设区域的尺寸在几何上具有对称性且换热管区域分 布均匀，则选用该典型区域面积的25作为模拟计算区域是 合理的。 图10 典型区域网格划分 4初始条件与边界条件 土壤源热泵运行一段时间后测试得到土壤温度场的平均 温度18.5℃。壁面为无滑移边界，加载热流。 ChaoXing 201917 技术应用与研究35 Modern Chemical Research 当代化工研究 4.结论 地埋管换热器周围土壤随着整个地源热泵系统的周期性 工作而经历着温度的上升、下降之后再上升的周期性过程， 距离井壁较近点温度随着换热负荷变化而呈上下波动变化规 律，距离井壁较远点温度则呈现平缓上升或下降规律。在夏 热冬冷地区，由于制冷季时间普遍长于供热季，在历经了夏 季机组放热和秋季的自身散热之后，地埋管周围土壤温度与 初始状态相比仍是略微升高的，故而土壤存在一定的热量累 积，失去了热平衡。系统的间歇运行留给了土壤恢复的时 间，能在一定程度上调节土壤的温度，使其不过分偏离热平 衡。但秋季即土壤的恢复季时间较短，并没有完全充分的时 间恢复到初始状态。所以系统能否长期可靠运行更主要在于 制冷季和供热季的负荷是否平衡。在夏热冬冷地区采用冷却 塔补偿式土壤耦合热泵系统对于地源热泵性能的提升具有一 定的工程推广应用参考价值。 【参考文献】 [1]Bin Hu,Yaoyu Li,Baojie Mu.Extremum seeking control for efficient operation of hybrid ground source heat pump system.Renewable Energy,862016332-346. 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[14]何耀东,孟震.地源热泵长期有效发展的核心夏冬季 岩土体排取热量的动态平衡.暖通空调,2009,391175-75. 【基金项目】 2019年度安徽省重点研究与开发计划项目，夏热冬冷地区土壤 源热泵系统性能提升关键技术研究和工程示范，201904a07020072 【作者简介】 黄太松（1968-），男，汉族，安徽肥东人，本科（学士）， 工程师，安徽华冶新能源科技有限公司；研究方向地源热泵。 5土壤温度场分析 ①场温度变化分析 空调系统运行时间为通常在夏热冬冷地区的夏季制冷 季时长为四个月，供暖季时长为三个月，其余时间系统停止 运行，这段时间也就用于土壤温度的恢复。在保证承载正常 负荷的情况下，地源热泵系统地埋管换热器能否长期稳定运 行很大程度上是由换热器周围土壤能否在运行周期内基本保 持热平衡来决定的。所以通过模拟计算来观测土壤温度的变 化情况是有必要的，以此来检验地下埋管换热器的设计负荷 与实际情况是否具有基本的匹配性。 从6月到9月的四个月时间，空调系统进行制冷循环， 为制冷季。此时由于地埋管在与土壤换热，土壤温度是逐渐 缓慢上升的，其温度场变化经过模拟，结果见图9。系统运 行初期周围土壤温度上升的较为明显，随后呈现出连片状云 图；而远离换热区域的土壤则始终维持在初始温度，显然， 这种明显存在的温差是地源热泵系统地下埋管换热器的稳定 运行的大前提。地源热泵系统经过了制冷季的连续运行，换 热器周围土壤的温度最高才上升到约24.2℃，这与冷却塔的 辅助散热是分不开的。 图10表示土壤源热泵在停止运行后秋季恢复季土壤温度 场分布情况。可以看出，经过制冷季机组的运行放热之后， 土壤的温度上升到24.2℃；在恢复季机组停止运行，土壤的 自然温度已经下降到21.1℃，温度的下降幅度达到3.2℃， 这说明土壤自身的热扩散能力使得其能够在地源热泵系统间 歇运行的条件下保证自身可以逐渐恢复到初始温度。 图11 夏季放热工况土壤 温度场变化 图12 秋季恢复季土壤温度场 ②点温度变化分析 监测点的温度在夏季和秋季的变化见图11。在图中可以 看出温度的变化曲线以10月为分界点，左侧单调递增，右侧 单调递减，容易得出井群典型位置温度在制冷季是逐渐上升 的；在秋季是逐渐降低的，结束时温度降低约1℃。系统在 秋季停止运行，使土壤温度可以在一定时间内得到恢复，从 而使得在地源热泵系统工作周期内基本保持热量平衡。 图13 监测点温度变化曲线 ChaoXing