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负荷不平衡率对不同地埋管布置形式下土壤温度场影响的研究点击：1709 日期：[ 2014-04-26 21:36:01 ] |
| 负荷不平衡率对不同地埋管布置形式下土壤温度场影响的研究 王松庆，张旭，鲍谦，刘俊，高军 (同济大学机械工程学院暖通空调及燃气研究所，上海200092) ［摘要］本文以负荷不平衡率为基础，对不同地埋管布置形式对土壤温度场的影响进行了研究，分析了土壤温度逐月变化对地源热泵系统运行效率的影响，为地埋管布置形式的合理选取提供了参考。 ［关键词］地埋管换热器;布置形式;负荷不平衡率;土壤温度 ［中图分类号］TQ051.5`［文献标识码］A ［文章编号］1002-8528(2010)08-0064-04 1·前言 对于地源热泵地埋管换热器，其夏季累计向土壤的放热量与冬季累计从土壤的取热量会出现不一致的情况，长期取、放热量的不平衡堆积会超过土壤自身对热量的扩散能力，造成土壤温度不断偏离初始温度，导致系统运行效率下降，这即是通常所说的地埋管地源热泵的热失衡问题［1］。造成上述问题的主要原因是冬夏季冷、热负荷的不平衡。目前国内针对地源热泵负荷不平衡率和热泵运行后土壤温度变化的研究主要包括:马宏权和龙惟定分析了地埋管地源热泵热平衡问题的由来与影响，提出了解决该问题的技术思路，并结合实际项目的测试分析，讨论了对解决该问题有利的系统设计原则和运行模式［1］;刘晓茹从岩土体全年热平衡的角度分析了地埋管地源热泵系统在工程应用中的可行性及其地域性特点［2］;周烨，等应用数值方法，对地源热泵运行一段时间后土壤温度的恢复特性进行了研究［3］;刘俊，等对某一实际工程典型年和运行5 a后的土壤温度恢复特性进行了模拟研究［4］;闫晓娜，等对单个地源热泵U形埋管的土壤温度进行了模拟研究与实验对比［5］。上述研究较少考虑冷、热负荷不平衡率和埋管布置形式相结合的问题。本文针对这一问题，对地埋管不同布置形式下冷、热负荷不平衡率对土壤温度场的影响进行了讨论，并分析了土壤温度变化后系统实际运行效率的逐月变化，以期为地源热泵埋管形式的选择提供参考依据。 2·地埋管的几何模型与数学模型 2.1地埋管布置形式 本文所研究的地埋管布置形式主要有2种，如图1所示。图1a为纵向两排管布置形式(形式1)，这种布置形式的优点是不必集中占用较大面积的土地。对于一些大型公共建筑，地埋管可以埋置在条形绿化带下;对于特殊用途的建筑，如铁路客站，可以把地埋管布置在铁路沿线，节省占地面积。图1b为等间距的管群布置形式(形式2)，是目前大型公共建筑中常用的一种埋管布置形式。 2种地埋管布置形式中，地埋管间的距离均为5m。纵向两排管布置形式为15根×2列，等间距管群布置形式为15根×15列，由于布置的对称性，第1种地埋管布置形式考虑整体情况的1/2、第2种形式考虑整体情况的1/4就可以满足研究的要求。本文采用单U型地埋管，孔径为110 mm，埋深为90m，单U型管外径为32 mm，内径为25 mm。 2.2数学模型与参数选取 本文采用二维、无限大、无内热源的非稳态导热模型。假设条件如下:土壤假设为均质各向同性，忽略沿土壤深度方向的影响，忽略地表温度波动对土壤的影响，忽略土壤温度变化对土壤导热系数的影响，忽略土壤中水分迁移对换热的影响。 土壤远边界设为土壤的初始温度，模拟时采用第一类边界条件，PE管所在位置壁面采用定热流边界条件。 3·负荷不平衡率对土壤温度场的影响 负荷不平衡率的定义如式(2)～(3)所示。如果地源热泵夏季总散热量大于冬季总取热量，选用式(2)计算，反之选用式(3)。由于本文计算以上海地区为例，夏季总散热量大于冬季总取热量，因此负荷不平衡率采用式(2)计算。 本文通过2种工况来研究负荷不平衡率对土壤温度的影响。 3.1工况1 地源热泵每年运行时间为夏季5～10月(共计180 d);冬季12月中旬～次年3月中旬(共计90d)，其余月份为土壤温度恢复期，不使用地源热泵。运行期间，系统每天开启运行12 h，另外12 h为恢复时间。工况1模拟计算的相关参数如表2所示。 表2中不平衡率较大主要是由上海地区大型公共建筑冬夏季的负荷强度及运行时间所决定的。按照上述模拟参数，对地源热泵在典型区域、典型年的土壤温度进行模拟研究，结果如图2～6所示。 由图2和图3可知，井壁这一典型点处的温度在空调季节震荡上升，过渡季节得到一定的恢复，温度逐渐下降，进入供暖季后呈震荡下降趋势，以1 a为周期，做周期性变化。其中形式2的温度变化趋势更为明显。 由于冬夏季空调负荷强度及运行时间决定了负荷的不平衡率，因此本工况负荷不平衡率较大。由图4可知，对于形式1，地源热泵从夏季开始运行，运行6个月后，土壤平均温度升高约2.5℃，地下换热器的效率随着土壤温度的升高而降低。如果按照换热系数不变、水流量和进口水温不变考虑，根据每个月平均土壤温度可计算得到本月向土壤实际的散/取热量q实际，其与设计的散/取热量q设计之比为每个月热泵的运行效率。通过计算可知夏季6个月实际平均运行效率为设计工况的88.2%，结果如图5所示。在供暖季，当3个月运行期满后，土壤平均温度降低约2.1℃，地下换热器的传热效率会随着土壤平均温度的降低而有所降低，实际运行效率约为设计值的98.2%，结果如图6所示。 对于形式2而言，地源热泵夏季运行6个月后，土壤平均温度升高约12℃，为形式1的4.8倍。地下换热器的传热效率急剧下降，按照6个月平均土壤温度计算得到实际平均运行效率为设计值的64.2%，最低时仅为35%。即使在冬季其实际运行效率远高于设计值，但在夏季运行到最后2个月时，地源热泵有可能已经无法正常运行了。 通过分析可知，对于2种不同的地埋管布置形式，形式1对负荷不平衡率的敏感性远远小于形式2。这是由于形式1中埋管数量相对较少，同时无穷远处为等温边界，地源热泵向土壤排放的热量可以较快地传给远端，因此热堆积作用不明显。而形式2由于管群数量多，尤其是内部的埋管向土壤排放的热量很难较快传递到远端，在内部易形成热堆积现象，严重影响机组的效率。因此，对于负荷不平衡率较大的建筑，在满足场地等条件时，应优先考虑形式1。 3.2工况2 由于形式2对负荷不平衡率的敏感性较大，而形式2又是目前常有的一种布置形式。因此对布置形式2在不同负荷不平衡率情况下对土壤温度场的影响进行研究。 工况2所选用的相关参数如表3所示。地源热泵每年运行时间为:夏季6月～10月中旬(共计135d);冬季12月中旬～次年3月(共计105 d)，其余月份为土壤温度恢复期，不使用地源热泵。运行期间，系统每天开启运行12 h，另外12 h为恢复时间。 图7给出了形式2全年土壤平均温度变化情况，由图可知，空调季结束后，土壤平均温度升高约6.8℃，土壤温度达到24.6℃。夏季运行效率如图8所示，同样按照换热系数不变、水流量和进口水温不变考虑，可计算得到实际平均运行效率为设计值的78%，最低时为63%。与3.1节工况1中负荷不平衡率60%相比，平均运行效率提高了15%，而且最低效率值明显提高，使得机组运行的综合效率得到提高。冬季运行效率如图9所示，同样在冬季运行平均效率高于设计值，可以保证采暖需求。因此对于管群集中式埋管的布置形式，负荷不平衡率对机组效率的影响很大，减小负荷不平衡率可以使得地源热泵机组在较高效率下运行。同时由于在夏热冬冷地区，地源热泵的设计目前主要是以冬季为主(地源热泵承担全部的冬季热负荷，部分夏季冷负荷)，因此合理的负荷不平衡率也可以使得热泵机组在冬季的实际运行效率高于设计值，这对于地源热泵的运行是有利的。 4·结论 本文对不同地埋管布置形式下不同负荷不平衡率对土壤温度场的影响进行了研究，得到如下结论: 1)对于纵向两排管布置形式，土壤温度场受负荷不平衡率的影响较小，即使负荷不平衡率较大，其实际运行效率也较高，因此对于具有可利用条形绿化带的建筑或特殊用途的建筑，如铁路客站，此种埋管布置形式是一种较优的方式。 2)常见的等间距管群布置形式，土壤温度场受负荷不平衡率的影响很大。对于这种埋管布置形式，需要合理确定负荷不平衡率，防止机组运行效率较低情况的发生。 ［参考文献］ ［1］马宏权，龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡［J］.暖通空调，2009，39(1):102～106. ［2］刘晓茹.地埋管地源热泵系统热平衡及其地域性分析［J］.暖通空调，2008，38(9):57～59. ［3］周烨，董慧芳，张鹏.土壤源热泵土壤温度恢复的模拟［J］.河北建筑工程学院学报，2007，25(4):26～28. ［4］刘俊，张旭，高军，等.地源热泵土壤温度恢复特性研究［J］.暖通空调，2008，38(11):147～150. ［5］闫晓娜，谈莹莹，王雨.地源热泵U型埋管土壤温度场数值模拟［J］.制冷与空调，2009，23(2):37～41. |
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