板翅式换热器
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土壤温度场对竖直U形地埋管换热性能的影响点击：1852 日期：[ 2014-04-26 21:54:06 ] |
| 土壤温度场对竖直U形地埋管换热性能的影响 中南建筑设计院 王俊杰 华中科技大学 徐玉党 毛佳妮 摘要：对广州地区地下50 m以内土壤温度分布进行了模拟,研究了土壤温度的分布特性和变化规律,模拟了冬季工况下埋管区域土壤温度场的分布情况,分析了动态负荷分布对地埋管换热性能的影响。 关键词：土壤温度场 U形地埋管换热器 换热性能 土壤热平衡 地源热泵系统的关键技术在于地埋管换热器的传热性能研究,所以充分了解地埋管周围土壤的温度场分布,从而分析地埋管换热器的传热机理及影响其换热量的因素就显得尤为重要。 1 初始地温特性的模拟分析 地埋管换热器的地下传热主要发生在管内流体与周围土壤之间,所以了解地温特性与热泵运行前原始地温的分布是进行地下传热分析的基础,而影响地下浅层土壤温度分布的主要因素有地层表面温度、土壤质地和结构、土壤热物性及外界环境气候等[1]。 1.1 土壤温度分布特点 地层表面的温度取决于太阳辐射的热量和地面辐射回天空的热量的平衡。受热波传播影响的 区域是地壳的变温带,随着距地表面距离的增大,地壳内部受地表温度变化的影响越来越小,在变温带以下有一层恒温带,恒温带以下则不受太阳辐射周期性变化的影响了。竖直U形地埋管换热器的埋设大多集中在这一深度,这一带的温度特性是研究地源热泵系统的一个重要方面[2]。 1.2 地表面温度周期性变化对地层内部温度分布 的影响 实际工程中,地表活动层温度的测量比较困 难,其变化规律可以用包括零级谐量与第一级谐量之和的关系式来近似描述[3]: 式(1),(2)中y为深度,m;τ为时间,s;tm为简谐运动的初始振幅,即地表面最高温度(取最热月的月平均温度)与年平均温度t0之差,℃;τ0为温度波动周期,按年或昼夜计算;t0为地表面的年平均温度,℃。 可见在地下15 m以下,地温将不再受地表面温度波动的影响。地温的实验测试结果也表明在测试期间地下20,35,50 m处的地温是保持恒定的。 1.3 土壤初始温度模拟计算 以广州地区为例,查《地下建筑暖通空调设计手册》可得该地区地表面全年逐月平均温度,见表2。 根据表2可算得广州地区地表面年平均温度t0=24.658℃;最热月的月平均温度为31.8℃,则 tm=7.142℃。取温度年波动周期τ0=8 760 h,将数据代入式(2)得到: (3) 对广州地区地下0~50 m范围内的地温分别 进行了全年逐时计算,以地表面温度年波幅出现的 时间为周期的开始,计算结果如图1,2所示。由图1,2可以看出,在地下5 m处,土壤温度受地表面 温度年周期变化的影响较大,其温度波波幅约为 1.782℃;随着深度的增大,温度波波幅逐渐减小, 地下0~15 m范围内减小的幅度较大,到地下20 m处,波幅值仅为0.02℃,相当于地表面年平均温度的0.08%;随着深度进一步加大,温度波波幅越来越小,在地下20~50 m范围内,土壤温度逐 渐趋于稳定,地下40 m处的土壤温度曲线与地下 50 m处的土壤温度曲线几乎完全重合,变为一条平稳的直线,直线对应的值恰为地表面年平均温度值24.658℃。 由此可以得出结论,在地下20 m以下,土壤温度跟地表面年平均温度值已非常接近,且几乎不受外界环境温度周期性变化的影响,全年温度处于恒定状态,地源热泵地埋管换热器的大部分管段均被埋设在该深度范围内,在设计、模拟过程中,可近似取各地的地表面年平均温度值作为土壤的初始温度。 2 热泵运行后土壤温度场对地埋管换热器换热性 能影响的模拟 原始地温要作为定解条件输入,因此是应当首先确定的。下面以控制容积的热平衡原理为基础,通过FLUENT软件和Matlab软件分别求解U形地埋管换热器的三维稳态和瞬态传热模型[3-5]。 2.1 输入参数的确定 由华中科技大学环境学院地源热泵系统实验测试所得:土壤,导热系数2.055 W/(m·℃),密 度1 959kg/m3,比定压热容1 750 J/(kg·K);埋 管埋深60 m,管材为PE管(聚乙烯),密度950 kg/m3,比定压热容2 100 J/(kg·K),导热系数 0.42 W/(m·℃);埋管内循环水,导热系数 0.626 5 W/(m·℃),密度为998.2 kg/m3,比定 压热容4 182 J/(kg·K);钻井的回填材料,密度 2 650 kg/m3,导热系数2.25 W/(m·℃),比定压 热容1 320 J/(kg·K);热泵运行期间,埋管进出水 平均温差为7.1℃;冬季土壤初始温度为15.6℃。 2.2 温度场在竖直方向的分布 图3是与管腿中心线的距离R=0,0.1,0.5, 1.0,1.5,2.0,2.5 m处稳态下竖直方向上的温度分布。可以看出,在不同径向距离处土壤竖直方向上温度变化趋势相同,即土壤温度在绝大部分竖直埋管范围内几乎没有变化,只有在埋管底部的土壤区和接近埋管顶部的区域有变化。 2.3 温度场在周向的分布 温度在竖直方向几乎没有变化,用埋管高度方向的任何一个横截面(只要不在两端)来研究土壤温度场随周向的变化都是合理的。笔者选取热泵系统运行10天后竖直高度为45 m处的横截面来研究周向的温度分布。模拟结果如图4所示。可 以看出,在远离U形管的地方,温度等值线都是以管腿中心线为轴的同心圆;而在靠近U形管的地方,特别是两根管腿之间部分,温度明显受到了管腿间热传递的影响,等值线变得不规则起来。 2.4 温度场在径向的分布 选取地埋管部分土壤区域任意截面来分析土壤温度场沿径向的分布情况,模拟结果如图5所示。可以看出,冬季运行工况下,地埋管部分土壤区域温度沿径向向外增大,温度梯度随着半径的增大而减小。所以土壤的导热过程对地埋管换热器整个换热过程的影响是最大的,其内部导热过程的热阻对换热能力的影响占了很大比例,如果在合适的地区使用该系统,使换热能力大大增强,则系统运行的经济性将得到大幅度提高,可以使节能性得到充分体现。 2.5 土壤初始温度对地埋管换热器换热性能的影响 模拟计算条件为:入口流体温度42℃,流速 0.75 m/s,运行时间30年。模拟计算结果如图6, 7所示。定义流体的温度梯度为随入口流体温度与土壤初始温度的差值变化时流体温度的变化率, 可以看出对应不同的ts(土壤初始温度),入口流体温度与土壤初始温度的差值越大,则流体的温度梯度及单位管长换热量越大。因此入口流体与初始土壤间的温差是影响土壤耦合热泵地埋管换热器 尺寸的主要因素。 3 动态负荷分布对地埋管换热性能的影响 国内外有关研究表明,如果地埋管换热器的吸热和释热不平衡,多余的热量(或冷量)就会在地下土壤中累积,引起土壤年平均温度的变化;夏季向 地下累计释放的总热量与冬季从地下累计吸取的总热量均衡时孔深不随运行时间变化,不均衡时随运行时间的延长所需的设计孔深呈对数曲线增大[6]。 3.1 夏季向地下累计释放的总热量与冬季从地下累计吸取的总热量之比对地埋管换热器换热性能的影响 采用ASHRAE推荐的地源热泵设计模拟软件GLHEPRO3.0的模拟结果表明,在相同的设计条件下,设计孔深随着冷热负荷比的增大和地埋管换热器运行时间的延长而增大,如图8所示。图中以夏季向地下累计释放的总热量与冬季从地下累计吸取的总热量比为1∶1时的设计孔深为基准。可以看出,冷热负荷的不均衡对地埋管换热器的设 计容量有很大影响。夏季向地下累计释放的总热量与冬季从地下累计吸取的总热量比为2∶1时的地埋管换热器设计容量是总热量比为1∶1时 的3倍,夏季向地下累计释放的总热量与冬季从地下累计吸取的总热量比为3∶1时的地埋管换热器设计容量是总热量比为1∶1时的5倍。 3.2 吸热与释热对地埋管换热器性能的影响 一般工程中空调冷负荷都要比热负荷大,所以计算出的最大释热量一般都要比最大吸热量大,这时如果盲目地为了要同时满足冬、夏季工况而选用两者中较大的换热器管长是不合适的。现以广州某度假山庄的地埋管地源热泵工程为例,模拟地下换热器运行30年后的地下土壤温度场情况,为方 案选择提供参考。拟采用复合式系统即地埋管换 热器加冰蓄冷的联合运行方案,地埋管长度由冬季热负荷来确定,超出的那部分排热量由冰蓄冷来提供,使得地下的吸放热量相平衡,还降低了整个系统的初投资。 由动态负荷计算软件DeST得到该建筑全年最 大热负荷为39.84 kW,全年最大冷负荷为231.7 kW,该建筑物的峰值冷负荷与峰值热负荷之比约为5.8,可推断该工程夏季供冷所需要的冷量要比冬季供暖所需的热量大得多,这说明在地埋管长度的设计中,主要矛盾是解决夏季释热问题。 从图9可以看出,如果没有辅助冷热源而按峰值负荷设计地埋管换热器,至第30年时地下土壤 温度最低16℃,最高可达57℃,常年在28~50℃之间变化,高于初始运行时的地下土壤平均温度24.658℃,增幅达到了13.8%~103%,说明地埋管区域的土壤温度不能得到及时恢复,此种方案的地下热平衡效果不佳。因此需有其他辅助的供冷、供热方式来调节,才能保证系统的长期稳定运行。 从图10可以看出,采用复合式系统方案设计地埋管换热器,运行后,冬、夏季的地下换热量可以使土壤达到较好的热平衡状态。而且地下温度变化不大,至第30年,地下土壤温度在-7.5~30℃之间变化,可以保证热泵机组经济高效地运行。 4 结语 综上可以得知,土壤的热物性参数对热泵运行性能的影响较大,所以对于土壤热物性的研究可以为提高地埋管换热性能提供参考依据,在工程实践应用时也可以节省换热器长度和钻井数,将带来地埋管地源热泵系统初投资的降低。 参考文献: [1] Gary P,William S. Performance of a hybrid ground-coupled heat pump system[G]∥ASHRAE Trans, 1998, 104(2) [2] 徐伟,译.地源热泵工程技术指南[M].北京:中国建 筑工业出版社,2001 [3] 柳晓雷,王德林,方肇洪.垂直埋管地源热泵的圆柱面 传热模型及简化计算[J].山东建筑工程学院学报, 2001,16(1) [4] 曾和义,方肇洪.U型管地热换热器中介质轴向温度 的数学模型[J].山东建筑工程学院学报,2002,17(1) [5] 张喜明,于立强.土壤源热泵垂直埋管周围温度场数 理模型[J].节能技术,2001,19(4) [6] Rottmayer S P,Beckman W A. Simulation of a single vertical U-tube ground heat exchanger in an infinite medium[G]∥ASHRAE Trans,1997,103(2):651- 659 |
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