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不同开停比下地埋管换热器运行特性研究点击：1678 日期：[ 2014-04-26 21:54:04 ] |
| 不同开停比下地埋管换热器运行特性研究 王冬青1，颜亮2，王沣浩2 (1.山西大学工程学院，太原030013;2.西安交通大学建筑节能研究中心，西安710049) ［摘要］地源热泵在夏季运行工况中，连续运行可能会导致土壤温度持续升高，机组运行工况恶化。本文对不同开停比下地源热泵U型地埋管地下换热器的传热过程进行了数值模拟，探求不同开停比下地埋管换热器内水温和地埋管管壁温度的变化规律，以期找到地下换热系统运行优化的最佳手段。 ［关键词］地源热泵;间歇运行;开停比;数值模拟 ［中图分类号］TQ051.5［文献标识码］A ［文章编号］1002-8528(2010)08-0074-03 0·引言 地源热泵是利用地下水、地表水和地下土壤温度相对稳定的特性，在冬天把低品位热源中的热量转移到需要供暖或加热的地方，在夏天将室内的余热转移到低品位热源中，以达到制冷或降温的目的。由于地源热泵系统具有高效节能、经济环保、安全可靠、使用寿命长等优点，近十几年来，在北美的美国和加拿大及中、北欧的瑞士和瑞典等国家取得了较快的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃。地源热泵技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术［1］。在地源热泵系统运行过程中，地埋管换热器与周围土壤进行热交换的过程是非稳态的。随着机组的运行，热量持续不断地被带走或释放，土壤温度持续变化，连续运行时间越长，土壤温度变化幅度越大，换热器内循环水的温度也相应变化，直接导致机组运行工况恶化。为了能够优化机组运行工况，应该给土壤一定的时间进行温度的恢复，为此应考虑间歇运行方式［2］。 关于地源热泵间歇运行的研究已经成为国内外的研究热点。文献［2］～［3］对地源热泵制热、制冷工况间歇运行进行了实验研究;文献［4］～［7］对地源热泵系统间歇运行模式下地温的恢复性及对机组性能的影响进行了研究;文献［8］将间歇运行看作周期性脉冲热流，进而简化为一个平均连续的热流作用;文献［9］～［10］利用能量守恒原理研究了间歇运行对地埋管换热器有效传热系数的影响。由以上的研究可知，间歇运行能使系统在较长时间段内运行于高效率点，降低运行费用，然而目前对地源热泵间歇运行中开停比对地下换热器换热性能影响规律的研究还不充分。本文正是针对这一问题，对地源热泵夏季工况不同开停比下U型管的传热过程进行了数值模拟，得到了不同开停比下地下换热器的换热和地温恢复规律。 1·数学模型 1.1假设条件 由于U型竖直地埋管地下换热器的几何形状和土壤传热的复杂性，为了减少网格数量，降低计算的难度和提高计算的精度，作如下假设: 1)土壤是均匀的，而且在整个传热过程中土壤的热物性不变。 2)忽略土壤中水分迁移的影响。 3)忽略U型管管壁与回填材料、回填材料与土壤之间的接触热阻。 4)忽略地表温度波动对土壤温度的影响，认为土壤温度均匀一致，初始阶段为当地的年平均气温。 5)钻孔间距足够大，忽略孔与孔之间的传热影响。 1.2控制方程 土壤和回填土均为多孔介质，但由于传热传质耦合模型与纯导热模型精度近似［11］，本文假设土壤和回填土为固体，其中的传热为纯导热。本文采用FLUENT软件进行数值计算，其中紊流模型采用k-ε模型，对流项差分格式采用QUICK格式，压力速度耦合采用SIMPLE算法。描述水在管内流动换热的连续性方程、动量方程和能量方程以及描述管壁、土壤和回填土中传热的导热的微分方程可以统一写成如下通用形式［12］: 式中，为通用物理量;ρ为U型管内流动介质的密度，kg/m3;U为U型管内流动介质的速度，m/s;Γ为扩散通量;S为源项。 2·数值模拟方法 2.1模拟对象的几何形状 本模型包括的几何体有U型管内的水、U型管、回填土和土壤。钻孔直径为300 mm，深为60m;U型管内径为25 mm，管壁厚为3.5 mm，U型管两管中心距为180 mm;竖井中心和土壤外表面之间的径向距离为3 m。钻孔和模拟范围内的土壤均看成是圆柱体。利用对称性，只需取圆柱体的一半建立模型。 2.2网格的划分 本文采用GAMBIT软件建立了地下换热器的几何模型并划分了网格。在U型管的直管段，采用等间距在竖直方向上布置网格，在U型管的转弯处沿流线方向密集布置网格。 2.3边界条件 1)进、出口条件:进口采用定水温边界条件，出口采用OUTFLOW边界条件。 2)壁面条件:水管壁面为固定壁面，但该壁面和回填土与之相连的壁面组成耦合壁面，以便将水管中水的流动和U型管、回填土以及土壤的传热耦合起来。最外层的土壤表面被定义成恒壁温条件，土壤与空气接触表面定义为第三类边界条件。 3)初始条件:系统开始时，地下换热器、回填土，以及土壤处于平衡状态，即管内流体、管壁、回填土和土壤的温度均为初始温度T0;初始时刻水管中的流速为0 m/s。 3·计算结果及分析 3.1数据处理方法 通过模拟，可以得到U型地埋管换热器的进、出口水温变化规律，从而可以通过式(2)得到瞬时平均换热量: Q=ρcp vΔt=ρcp v(tout－tin)(2) 式中，Q为埋管换热器瞬时平均换热量，kW;ρ为循环流体密度，kg/m3;cp为循环流体比热，kJ/(kg·℃);v为U型埋管换热器内的流体流量，m3/s;tin和tout分别为U型管进、出口流体平均温度，℃。地埋管换热器单位井深的换热量可以通过式(3)计算:ql=Q×1 000/l(3)式中，ql为单位井深的换热量，W/m;l为竖井深度，m。 3.2模型的验证为了验证数学模型的正确性，根据文献［13］中的物性参数(见表1)对夏季工况60 m深U型管连续运行24 h的传热进行了模拟，将模拟结果同文献［13］中的实测值进行了比较，结果如图1所示。由图可知，第1个小时U型管出口水温模拟值与实测值的偏差是1.69℃，在第24个小时是0.72℃。即偏差逐渐下降，证明了该模型的正确性。 3.3模拟结果及分析 本文对60 m深U型管夏季工况间歇运行的传热过程进行了数值模拟，设定参数如下:进口水温为30℃，流速为0.6 m/s，土壤初始温度为14.43℃，日平均室外气温为30℃;模拟的物性参数见表1。本文模拟根据西安地区办公楼的空调运行情况设定为每天运行8 h，在保证系统正常运行的情况下，研究不同的开停比对地下换热器换热性能的影响规律。不同开停比下的开停机时间见表2，每个开停比下的计算时间为176 h。模拟可得出在不同开停比下U型管的出口温度、埋管管壁温度的变化规律，根据式(2)～(3)可计算出单位井深的换热量，分别见图2～4。 如图2所示，在进口水温一定的情况下，U型地埋管出口水温均有升高。在开停比为2∶1和1∶1时，出口水温有明显的上升，约为2.5℃，而且随着时间的推移，出口水温有继续上升的趋势。在开停比为1∶2和1∶3的情况下，出口水温略有升高，但相差不大，而且在不同的时间段，出口水温变化不大，趋于稳定。 如图3所示，当开停比为2∶1和1∶1时，管壁壁面平均温度在停歇期间内没有完全恢复至原始温度，以致随着时间的推移，壁面温度不断升高。而在开停比为1∶2和1∶3时，壁面温度基本可以恢复至初始温度值。另外，当开停比为1∶2时，停歇期间的时间与壁面温度恢复时间基本吻合，壁面温度恢复较好，而在1∶3时，前段时间壁面温度恢复较快，中间时刻壁面温度已基本恢复至初始温度的95%，而后期时数对壁面的温度恢复作用较小。这表明不同的开停比均能使地温得到一定程度的恢复，间歇的时间越长，地温恢复的越好;但是当在开停比为1∶2之后，间歇时间虽然有所增加，但地温恢复的并不明显。 如图4所示，在开停比为2∶1和1∶1时，单位井深换热量分别从102 W/m下降至50 W/m和53 W/m左右，而且随着时间的推移，有继续下降的趋势。而在开停比为1∶2和1∶3时，参数值相差不大，单位井深换热量均从102 W/m稳定至61 W/m左右，1∶3工况时的稳定值比1∶2时略高。这表明随着间歇时间的增长，地温得到了较好的恢复，单位井深换热量增大。但是在开停比为1∶2之后，通过增加间歇时间，几乎无法再提升单位井深换热量。 4·结论 本文通过建立地源热泵地下换热器的三维数值模型，对不同开停比下地源热泵U型地埋管地下换热器的传热过程进行了数值模拟。研究结果表明，合理的开停比能够提高系统的换热效率，并有效降低机组和水泵的输入功率，达到节约运行费用的目的。在本次模拟中，开停比为1∶2的单位井深换热量比开停比为2∶1时高10 W/m左右，但是，当地温恢复到接近初始温度时，单位井深换热量几乎不再增加。 合理的开停比能够使土壤温度得到较好的恢复，有利于地下换热器的长期、有效运行。在系统确定的情况下，为了降低循环水的平衡温度，只能通过合理的优化控制，利用地温的恢复特性，实施可控间歇运行技术恢复地温，从而降低循环水的平衡温度。 ［参考文献］ ［1］徐伟，张时聪.中国地源热泵技术现状及发展趋势［J］.太阳能，2007，3:11～14. ［2］刘文学，唐志伟，魏加项，等.地源热泵间歇制热运行的试验研究［J］.可再生能源，2008，26(1):59～61. ［3］刘文学，唐志伟，魏加项，等.地源热泵制冷工况间歇运行的实验研究［J］.节能，2007，26(2):15～17. ［4］范萍萍，端木琳，舒海文.地温可恢复性对土壤源热泵运行的影响［J］.制冷与空调，2006，6(1):79～82. ［5］迟玉霞，王景刚，鲍玲玲.复合地源热泵间歇运行时地温恢复特性的研究［J］.建筑热能通风空调，2007，26(5):52～54. ［6］高青，于鸣，乔广，等.地热利用中的地温可恢复特性及其传热的增强［J］.吉林大学学报，2004，34(1):107～111. ［7］高青，于鸣，白金玉，等.提高地能利用的强化传热试验研究 ［J］.太阳能学报，2003，24(3):307～310. ［8］Ingersoll LR，Plass HJ.Theory of the ground pipe heat source forthe heat pump［J］.Heating，Piping ann Air Conditioning，1948，20 (7):119～122. ［9］Stevens James W.Intermittent convective heat transfer forground-source heat pump design［C］//Proceedings of 2000ASME International Mechanical Engineering Congress andExposition，2000:147～150. ［10］Stevens James W.Coupled conduction and intermittentconvective heat transfer from a buried pipe［J］.Heat TransferEngineering，2002， 23(4):34～43. ［11］Piechowski M.Heat and mass transfer model of a ground heatexchanger:validation and sensitivity analysis［J］. InternationalJournal of Energy Research，1998，22(11):965～979. ［12］陶文铨.数值传热学［M］.西安:西安交通大学出版社，2001. ［13］唐志伟，金楠，闫桂兰，等.地源热泵地中换热器的非稳态传热数值研究［J］.可再生能源，2008，26(2):55～58. |
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