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地下蓄能热扩散和传输的能流通量描述点击：1682 日期：[ 2014-04-26 21:39:35 ] |
| 地下蓄能热扩散和传输的能流通量描述 江 彦,高 青,李 明,马纯强,刘 研,黄 勇 (吉林大学汽车工程学院,长春130022) 摘 要:通过对地下蓄能系统能量输入、存储和输出过程中的能量传输问题的研究,提出地下岩土蓄能能流通量的概念。通过衡量蓄存能量的扩散传输程度,定量分析判断地下蓄能过程的能流效应,为控制扩散提供了衡量参数和依据。在此基础上,研究了不同排列竖孔地下换热器群布置形式的能流问题以比较它们在保存土壤蓄能期间能流强度的差别。研究发现,孔群布置决定地下温度场形态,该温度场形态对能量输入、输出及蓄存的自由扩散传输程度产生明显的影响。 关键词:热能工程;地下蓄能;能流通量;扩散;传输 中图分类号:TK521 文献标识码:A 文章编号:1671-5497(2009)05-1142-04 控制扩散是蓄能技术研究发展的主流问题。目前,一些研究主要利用计算机进行模拟计算,开展地下传热分析性能预测和系统设计等工作[1-4]。而在地下蓄能的控制扩散和能流研究方面,国内外还处于起步阶段,迫切要求系统地深入研究和探讨。为此,本文提出地下岩土蓄能的“能流通量”新概念,依据柱热源理论[5-6],对竖孔式地下换热器群布置形态的能流特性进行分析比较,寻求有效的地下蓄能能效分析方法。 1·计算模型 根据柱热源理论建立传热模型,其数学描述为[7] 在数值计算中对式(1)~式(3)进行离散,离散后的方程为： 2·能流通量及应用 2.1 控制扩散 控制扩散具有3层含义:在能量蓄入过程中,要求提高存入速率和能力;在能量存入后的保存过程中,要求储能区域能量的外扩散尽量少,在对蓄存能量释放提取利用过程中,要求保持高效利用和回采率。 2.2 能流通量 衡量能量传输程度的基本物理量是一项重要参数。本文提出“能流通量”这一新概念来比较衡量蓄存能量的传输扩散程度,一方面可表征输入和输出过程的能量传输能力,另一方面表征存储过程中能量的扩散流失程度。 能流通量的基本定义是:单位时间通过一定几何形态的单位约定面积的能量传输量,其单位为W/m2。本文根据地下换热器布置井孔形式,选择一定半径的圆环面积为约定面积,评估蓄能区域中蓄热能量的扩散流失程度。 图1为以圆形几何形态的约定面积为例的能流通量概念示意图。 在能量存储过程分析中,能流通量可采用蓄能结束后存储的不同时间和能量流失情况进行分析比较。例如,经过5 d(100 h)的能量地下存储,四边形布置方式在不同约定圆环通面上的能流通量变化曲线如图2所示。显然,能流通量随圆环通面半径的增大而明显降低。 2.3 不同布置形态蓄存能量扩散传输分析 本文对夏季地下换热器的蓄能情况进行模拟计算,在计算过程中,考虑了井孔的不同分布情况。根据一般岩土状况,选定土壤基本物性参数为:λ=3.5 W/(m·K),ρ=2638 kg/m3,c=837J/(kg·K),r0=0.05 m。 选择64孔地下换热器四边形及八边形布置,井孔间隔的横向、纵向节距为4 m,分析以单孔434.1 W/m2(即地下换热器单位长度换热量为40 W/m),连续蓄能6个月后能量扩散的传输情况,研究不同布置方式对地下蓄能的基本影响。地下换热器井孔布置如图3所示。 在蓄能结束后的不同时刻,取距离中心点半径分别为23、25和30 m处的约定圆环通面,分别表示地下换热器井孔蓄能区域的近、中、远距离处的能流通面。例如,在距离中心点23 m的约定圆环通面范围内,两种布置形式的井孔热源群被包含在内,并且距井孔壁的近距点为2 m。 图4为在不同约定圆环通面处的四边形布置和八边形布置两种形式下的能流通量变化曲线。从图4可看出,蓄能结束后能量存储的自由热量扩散过程中,任何时刻四边形布置均比八边形布置的能流通量大,表明此后各阶段能量流失程度大。由此可知,不同的地下换热器群布置形式会形成不同的地下温度场形态,该温度场形态不但影响能量输入、输出过程的能量传输能力,更会影响蓄存能量的自由扩散传输程度。因此,确定地下换热器群布置结构及各换热器负荷分配具有重要意义。 例如,蓄能结束5 d(100 h)时,在约定圆环通面半径为23 m处,八边形布置比四边形布置的能流通量减少5.7 W/m2,即减少15.4%;在半径为25 m处,减少5.2 W/m2,即减少16.5%;在半径为30 m处,减少4.3 W/m2,即减少18.3%。 由此可知,在相同时刻和差距通面上,随着半径的增加,两种布置形式蓄能区域能流通量的差距减小,但影响作用增加。 在蓄能结束15 d后,不同半径范围的能流通量基本稳定。综上可知,四边形井孔布置形式的能量自由外扩散能力较强。因此,八边形井孔布置形式在能量的保存上具有明显优势。 2.4 地下蓄能岩土温度场分析 为了进一步分析蓄能效果,本文对蓄能后的温度场的温时变化特性进行了计算分析。在前述蓄能工况下,考虑到温度场对称性的存在,选择左下角局部区域(半径30 m以内)进行温变特性分析。其中,对于四边形井孔布置的温度场温时变化如图5所示,八边形井孔布置的温度场温时变化如图6所示。 由图5可以看出,在相同的局部区域内,蓄能6个月时,土壤的温度梯度比较大,随着停止时间的延长,由于热量的逐步扩散,温度梯度逐渐减小,其通量也逐渐减小。在停止蓄能的第5 d,温度梯度减小的速度较大,停止蓄能15 d以后,温度梯度减小速度趋于平稳,能量通量也趋于平稳。由图6可以看出,八边形井孔布置与四边形井孔布置的岩土温度场变化趋势基本相似。但是,在相同时刻和相同的位置区域,八边形布置井孔的土壤温度梯度比四边形布置井孔的岩土温度场变化梯度小,因此,八边形布置井孔的能量通量较四边形的小。 3·结 论 (1)地下蓄能过程中的关键技术问题是能量输入、存储和输出过程中的能量传输问题。本文提出“能流通量”新概念来衡量蓄存能量的传输扩散程度。 (2)不同的地下换热器群布置形式会形成不同的地下温度场形态,该温度场形态不仅影响能量输入、输出过程的能量传输能力,也会影响蓄存能量的自由扩散传输程度。 (3)在本文具体分析条件下,得出地下换热器四边形孔群布置形式的存储能量自由外扩散好于八边形孔群布置形式。 参考文献:略 |
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