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双功能地下管群换热器的管间距分析点击：1809 日期：[ 2014-04-26 22:06:18 ] |
| 双功能地下管群换热器的管间距分析 范蕊 马最良 （ 哈尔滨工业大学市政环境工程学院） 摘要：为分析有地下水渗流情况下土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统中竖直地下管群换热器的管间距问题， 本文基于热渗耦合作用下的数学模型， 采用整体求解方法求得冬、夏季工况下管内流体、地下埋管换热器及周围土壤的温度场数值解， 从而分析了管间距对冬夏工况下不同联管方式管群换热器传热过程的影响， 结果表明在冬夏工况下管间距影响不同， 应根据具体的建筑负荷情况选择联管方式。 关键词： 集成系统 地下埋管换热器 管间距 ０ 引言 土壤耦合热泵系统因其使用可再生的地热能， 被称为是 ２１ 世纪的一项最具有发展前途的具有节能和环保意义的制冷空调技术， 而蓄冷技术则是为缓解电力供应紧张局面， 在以平衡电网峰谷负荷、削峰填谷为目的的形势下迅速发展起来的一种改变电力需求侧用电方式的空调技术。鉴于此， 哈尔滨工业大学提出了一种适合于以空调负荷为主、采暖负荷为辅地区的全新的热泵型空调系统－土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统。该系统在建筑物空调时段， 进行周期性的蓄冷、释冷、停机运行， 盘管周围土壤也随之发生周期性的冻融相变以实现土壤蓄冷功能； 冬季该系统可从土壤中吸取热量， 通过热泵技术向建筑物供给所需的热量。因此该系统使用的地下埋管换热器应具有夏季蓄冷、冬季取热双功能， 因此称之为双功能地下埋管换热器。文献［１］曾经对这种系统的单根地下埋管在热传导机制下的传热进行过研究， 本文即针对这种系统，进一步研究在有渗流情况下地下管群换热器的管间距问题。 １ 双功能地下管群换热器 土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统主要应用于冬夏负荷不平衡的地区，在夏季对土壤进行蓄冷、释冷，使埋管换热器兼作换热器和蓄冷装置用，冬季对建筑物供热。这样冬夏对地下管群换热器的要求各不相同，夏季要求管间距较小，有利于蓄存高品质冷量；冬季为了满足供暖要求，避免时间久出力不足现象，就需要较大的管间距，本文即针对这种情况，冬夏采用不同连管方式组成不同的地下管群，模拟分析地下管群换热器的传热机制。冬夏采用的地下管群换热器模型见图１示，夏季采用３７根管联供，夜间１０小时蓄冷，降低土壤温度；白天８小时释冷，供给建筑物空调使用，６小时停机。对于冬天工况，为了对比分析，分别采用图中所示的 ２、１１、５、１７、２０、２３、２６、２９、３２、３５ 共 １０根管、以及图示的１、２０、２３、２６、２９、３２、３５ 共７根管分别进行１０小时供暖，以分析两种不同组合情况对供热的影响。根据文献［２］可知，长江中下游地区地下水位线较高，其中上海地区的地下水位线平均为 １ｍ～１．５ ｍ，因此本文在计算有渗流情况时将地下管群换热器考虑成全部位于饱和区内。 图１地下埋管管束平面布置图 ２ 热渗耦合作用下的传热模型 地下管群换热器的传热是一个复杂的、非稳态的传热过程，通常需要进行较长时间的运算，而且该过程所涉及的几何条件和物理条件也都很复杂，所以为了便于分析，须对问题作以下必要的简化。将土壤看成一个均匀的、各向同性的多孔介质，忽略质量力；不考虑热辐射影响和粘性耗散；流体与固体瞬间达到局部热平衡；将两管脚传热相互影响的垂直Ｕ型管换热器等效为一当量直径的单管［３］等。 在非等温渗流中，一个物质系统或空间体积内含有固体和流体两部分，在研究实际非等温渗流时要把二者结合起来构成统一的能量方程，并且当对土壤、管壁、管内流体分别建立能量方程进行求解时，各个交界面上的边界条件都包括温度及热流密度两类条件。而这种热边界条件是由热量交换过程动态的加以决定 而不能预先给定，针对这种耦合传热问题［４］，本文为了避免反复迭代计算，采用了整场离散、整场求解方法。由此得到地下埋管换热器非稳态通用控制方程为： 其中： Ｕｉ 为地下水流速度或管内流体速度， ｍ／ｙｒ或 ｍ／ｓ； ｑｉ 为内热源， Ｗ／ｍ３； ｖ 为热容比； ａｉ 为总热扩散 ｉ系数； Ｔｏ为土壤、盘管及管内流体的初始温度， ℃； Ｔｉｎ为盘管的入口水温， ℃。则（ １） 、（２） 、（３） 、（４） 共同构成 地下埋管换热器非稳态控制方程， 其中， 角标 ｉ 为 ｓ， ｆｌ，ｐ， 分别对应于土壤、管内流体和盘管。 本文针对地下埋管换热器管群进行模拟分析， 采用整场模拟进行整体求解的方法。针对地下埋管换热器物理模型的复杂性， 采用非结构化网格进行划分， 有限容积法对方程离散， Ｇａｕｓｓ－Ｓｅｉｄｅｌ 点迭代法进行求解。 为了分析土壤蓄冷与土壤耦合热泵系统地下管群换热器的全年运行情况， 本文分别对冬天工况、夏天工况进行计算分析， 对于冬天工况， 系统连续运行 ６０天、每天供暖 １０ 小时； 对于夏天工况， 采用了 １５ 天预蓄冷， 然后正常运行 ６０ 天、每天 １０ 小时蓄冷、 小时８释冷、６小时停机的运行模式， 并且在正常运行的 ６０天内系统已经达到平衡。 ３ 地下管群换热器模拟分析 对于冬、夏两种工况， 计算时采用的各项参数见表 １。 ３．１ 夏季工况分析 在夏季工况下运行时，地下埋管换热器采用图１所示的３７根管进行联供，由于较小的管间距有利于夜蓄日释方式的运行，因此在夏季分别采用０．６ ｍ、０．８ ｍ、１．０ ｍ 管间距的地下埋管换热器。三种间距情况下的地下管群换热器逐日蓄、释冷量见图 ２，由图可知三种间距情况下的盘管前期预蓄冷量随着时间逐渐降低，进入正常运行阶段后，间距为０．６ｍ时的盘管逐日蓄冷量逐渐升高然后达到稳态，而后两种情况下的盘管逐日蓄冷量逐渐降低然后达到稳态，这说明对于不同管间距的地下管群换热器应该采用不同的预蓄冷时间，间距越小所需的预蓄冷时间越短。此外，不同间距情况下的日蓄、释冷量也不同。达到稳态后当管间距为０．６ｍ时，盘管的逐日蓄冷量约为１７６２．５０ ＭＪ， 逐日释冷量约为１１２０．６５ ＭＪ，释冷率（日释冷量 ／日蓄冷量）为６３．５８ ％；而当管间距增加到０．８ｍ和１．０ｍ时，盘管的逐日蓄冷量约为１８４７．２４ ＭＪ和１９１３．６８ ＭＪ，与前者相比分别增加了４．８１ ％、８．５８ ％，逐日释冷 量约为 １０５４．４４ ＭＪ和９９２．８６ ＭＪ，与前者相比分别降低了 ５．９１ ％、１１．４０ ％ 。由此可见，随着间距的增加，盘管的蓄冷量虽然逐渐增加，但释冷量却逐渐降低，这主要是由于间距增加使得管间影响变弱，有利于蓄冷过程进行，但是同样也是由于间距增加使得蓄进的冷量损失较大，尤其是换热器最外圈直接接触的外围土壤环境更大，因此冷量损失较大也造成了释冷量的降低，不利于空调工况运行。因此较小的管间距更有利于夏季工况。 图３示出了夏季工况下达到稳态后三种间距情况下的盘管逐时出水温度，随着运行时间延长盘管逐时出水温度逐渐降低，并且随着间距的增大，盘管逐时出水温度也越来越高。随着间距增加，盘管逐时出水温度依次从 ３．５９ ℃、３．８５ ℃、４．１４ ℃变化到 ７．９１ ℃、８．１９ ℃、８．４４ ℃，基本能满足空调冷冻水的要求，当该出水温度后期若不能满足空调冷冻水要求时，可以加开制冷机组以满足空调要求。 ３．２ 冬季工况分析 在冬季工况下运行时， 由于较大的管间距能减轻管间的热干扰问题， 更有利于盘管取热， 因此为了对比分析， 本文选取了两种联管方式， 一种是间距分别为 １．８ ｍ、 ２．４ ｍ、３．０ ｍ 的 ７ 根盘管换热器， 其中三种间距分别对应于夏季工况下的 ０．６ ｍ、０．８ ｍ、１．０ ｍ 间距方式； 另一种方式下为了尽量利用现有的盘管， 因此选择了管间干扰较小的 ２、１１、５、１７、２０、２３ 、２６、２９、３２、３５共１０ 根管来组成换热器（如图１示） 。 图 ２ 夏季工况下盘管的日蓄、释冷量 两种管群换热器的冬季逐日取热量情况分别见图 ４、图 ５，其中，本文为了标示方便，两图中标示的管间距０．６ ｍ、０．８ ｍ、１．０ｍ分别为相应的夏季盘管间距。从两图中可以看出间距越大盘管逐日取热量越高，并且随着运行时间盘管逐日取热量逐渐降低。但与７根管组成的管群换热器相比，１０根管组成的换热器的取热量较高，以１．０ ｍ管间距为例，７根管情况下的盘管逐日取热量从２７０．１７Ｍ 降低到１９８．４０ ＭＪ，而１０根管情况下的盘管逐日取热量从３４２．４３ ＭＪ降低到２４８．７７ ＭＪ，后者的情况要高于前者。但从图 ６、图 ７可知，７根管组成的管群换热器的盘管出水温度要高于１０ 根管组成的管群换热器，６０天运行过程中，前者的日平均盘管出水温度要比后者的日平均盘管出水温度高 ０．３６ ℃～０．２９ ℃。根据上述分析可知，在实际应用中应尽量取 １０ 根管组合，但还应考虑建筑物冬季热负荷情况，地下管群应与建筑物负荷相匹配，因此实际应用中应进一步根据建筑热负荷情况来选择联管方式。 图 ３ 夏季工况下盘管出水温度 图 ４ 冬季工况下１０根管组合的日取热量 图 ５ 冬季工况下７根管组合的日取热量 图 ６ 冬季工况下 １０ 根管逐时出水温度 图 ７ 冬季工况下 ７ 根管逐时出水温度 ４ 结论 地下埋管换热器的传热是一个复杂的、非稳态的传热过程，本文基于热渗联合作用下的传热模型，采用整场离散、整体求解方法求得地下埋管换热器、管内流体及周围土壤的数值解，分析了冬夏工况不同联管方式下管间距的影响。经过分析可知，对于夏季蓄冷、释冷的运行方式，较小的管间距有利于盘管蓄存高品质冷量，从而更加有利于空调运行；而对于冬季工况，较小的管间距不利于土壤恢复，因此需要酌情选择间距较大的管组成换热器。对比两种联管方式运行结果可知，管间距较大的７根管换热器可以获得相对较高的盘管出水温度，而管间距较小的１０根管换热器可以获得相对较高的盘管取热量， 因此实际应用中还应根据具体的建筑热负荷来决定。 参考文献 ［１］ 余延顺．土壤蓄冷与耦合热泵集成系统的蓄冷与释冷特性研究［博士学位论文］［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２００４ ［２］ 地质矿产部地下水动态监测研究中心．全国地下水位年鉴［Ｓ］．１９８４，４４７－４８７ ［３］ 陶文铨．数值传热学（ 第二版） ［Ｍ］．西安： 西安交通大学出版社，２００２．４８３－４８７ |
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