基于跨季节地下蓄热系统的模拟对热储利用模式的优化

点击：1777 日期：[ 2014-04-26 22:14:21 ]

基于跨季节地下蓄热系统的模拟对热储利用模式的优化赵军陈雁李新国 (天津大学机械学院天津 300072) 摘要:为减少太阳能利用中所受的季节性限制,建立计算模型对跨季节蓄热的可行性进行研究。实现跨季节蓄热的方法有很多,如大型蓄水池蓄热、地下含水层蓄热、埋地换热器蓄热等,重点研究用埋地换热器实现太阳能跨季节蓄热。针对在建实际工程项目,在已有实验的基础上,采用专业计算软件,通过计算机模拟分析地下埋管跨季节蓄热的效果,并对合理的运行方式进行预测。模拟结果表明:对地下热储的利用方式不同,地下蓄热场的温度分布及取热效果也不同;冬季取热时,采用交叉运行模式能使蓄存热量得到更为合理和有效的利用,并且更有利于地下蓄热场的温度恢复。结果是基于天津地区的气象参数和土壤特性数据得出的,表明该地跨季节蓄热具有实际可行性。关键词:太阳能跨季节蓄热;地下蓄热场;储热系统中图分类号:ＴＫ512　　　文献标识码:Ａ　　　文章编号:1007 2691(2007)02 0074 04 0　引　言太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,在世界常规能源面临枯竭的今日倍受关注。但是由于太阳运行昼夜交替的特点以及阴天雨雪等气候因素的限制,各种太阳能利用系统必须具备储能装置,才能实现连续运行。按照储能时间,太阳能热储系统可分为短期储能和跨季节储能[1]。前者将白天多余的能量储存起来供夜间使用,以克服昼夜交替造成的间歇性;后者储存夏季的能量使太阳能在冬季得到更好的应用,减少太阳能利用上的季节性限制。本文针对天津地区某一在建项目设立计算模型,用专业软件模拟系统运行中热能的释放、蓄存过程;研究天津地区太阳能地下蓄热效果,并从有利于蓄热场温度在全年运行周期内得到有效恢复的目的出发,对不同运行方式进行模拟,预测最有利运行模式,以期所得结果对实际运行方式的选取具有定性的参考价值,减少太阳能地下热储的利用损失。 1　实验系统本文研究对象为天津某一正在建设的综合性场馆的地下蓄热部分。该建筑采用地源热泵与太阳能组合式系统进行供能,设计夏季太阳能平板集热器在满足建筑洗浴热水负荷的条件下,通过埋地换热器将收集到的多余的热量在土壤中储存起来,在冬季为建筑的室内泳池提供能量,以满足部分负荷的需求,达到节能的目的。地下蓄热系统包括8口实验井,采用等间距布置。井间距5ｍ,井深100ｍ,内埋双Ｕ型ＰＥ管换热器,回填材料为砂石,向地下蓄热的温度设计为50℃。 2　计算模型的建立根据天津地区的气象数据和土壤热物性参数[1],对太阳能集热器的日得热量进行了计算,并确定模拟所采用的土壤温度和导热系数、回填材料[2]及ＰＥ管的热物性数据。由于地下30ｍ以下的土壤温度全年保持稳定(约13℃),蓄热场边界处采用恒温边界条件;气象典型年夏季6月至9月这一时期内,按照建筑内洗浴负荷计算结果,扣除日平均所需热量后,求出集热器每日工作过程中在蓄热时段向地下释热的平均功率,作为计算模型的动态边界条件输入。忽略蓄热场沿竖直方向的温度变化,用以下二维传热模型进行模拟。式中:α为岩土导温系数;Ｔ0为6月开始运行时的初始地下温度,取自天津地区的气象数据;ｒ0为换热管外径。根据已有实验数据[3～5],换热器每米管长换热量在设计时已确定为放热时17 5Ｗ/ｍ,模拟时取热的单位管长换热量取为12 5Ｗ/ｍ。为了考查天津地区的土壤蓄热的可行性,这是按最不理想的情况确定的参数,实际工程中的运行参数较此数据要高(放热时最高约为25Ｗ/ｍ)。 3　模拟结果与分析 3 1　各运行方式及模拟结果各种运行模式每天的工作时段是相同的,且都是从6月至9月向地下蓄热,其间蓄热场的温度变化如图1,2所示。在10月初停止蓄热,此时地下温度场的温度分布为:在蓄热中心处温度最高,为302Ｋ;沿从中心指向周边的梯度方向不断地降低,在边界处最低,为290Ｋ。随着时间推移,地下蓄热场各点处的温度因热量向四周的传递而不断下降,直至10月末形成取热之初的温度场分布,如图2所示。此时蓄热中心温度为295Ｋ,且蓄热场中部的温度梯度较靠近边界处要小。11月至2月为供暖期,具体的温度分布因各种运行模式而异。在第一种取热模式中,所有8口蓄热井都投入运行从整个蓄热场中提取热量,运行过程中温度场的变化如图3所示。在采用中心埋管取热运行时,只有中部的4个埋管处于工作状态,从蓄热场中部提取热量。在取热过程中,整个温度场的变化如图4。第三种运行模式采用交叉运行,11,12月份先从外围四口井中取热,1,2月份从中部4口井中取热,其温度变化如图5所示。第四种模式也是交叉运行,但8口井的使用顺序与第三种模式相反,即11,12月份的供暖由中部4口井提供,而1,2月份的由外围4井提供,其温度变化如图6所示。 3 2　模拟结果分析与讨论比较这四种不同运行模式运行的模拟结果,可以看到:整体运行模式在11月底时蓄热场温度就已大幅度下降,在1月底已低于边界处设定的初始温度。按此模式运行,从1月初起,提取的热量已不是真正意义上的“蓄存热量”,且无法保证地下温度在下一年运行开始前恢复如初。采取部分运行模式时,自始至终只有中部4口井取热。在1月底时中部温度已降至边界设定的286Ｋ的初始温度,该模式可以保证蓄热温度场在下一个运行周期开始前得到有效恢复(蓄热场在5月底升至285Ｋ)。两种交叉运行均可基本保证11月至2月份期间,蓄热场的温度始终高于286Ｋ,且5月底时温度均恢复到初始值。但着眼于地下蓄热场的热平衡,无论是整体运行模式、部分运行模式还是两种交叉运行模式,都无法完全满足冬季的热量需求,这是由于蓄热体本身容积较小不足以与负荷相匹配造成的,只有通过扩大蓄热容积来解决。值得注意的是交叉运行模式,在整个运行的模拟设定中,其总体取热量与部分运行模式是相同的,但其温度变化与恢复情况明显优于后者。而且,在两种交叉模式中,第三种模式又优于第四种。产生以上差异的原因是,在整体运行模式中,8口井的同时运行使得蓄热场温度在各处均有所下降,而中心处的散热较外围要缓慢,整个蓄热场中从中心到外围的温度梯度较大,存在较大的传热温差,而且各个换热器取热范围内的土壤温度分布的均匀性明显不如后3种模式,因而具有更大的不可逆损失。部分运行时,12月份时中部温度已明显低于外部蓄热场的温度(仍在286Ｋ以上),而取热仍在中部进行,并且中心管道取热时外部4井仍不断向周边地区散热,外围蓄热场的能量没有得到合理有效的利用;同时,中部和外围的温差较交叉模式要大,不利于温度场的恢复。两种交叉运行模式中,先从外围取热的模式优于先从中部取热。这是因为从蓄热场整体来看,先从外围取热时,一方面中部管道向周围土壤的传热仍处于蓄热场范围内,并未损失掉;而先从中部取热则无法避免外围管道向场外的传热损失。另一方面,1月份开始从中部取热时外围温度与蓄热场以外的土壤温度之差已大大缩小,因而造成热损失的传热驱动力降低;相反,若先从中部取热,则在此过程中由于外围蓄热场温度明显高于场外土壤温度,在较大的温差下,将有更多的热量通过蓄热场边界散失掉。 4　结论 (1)根据现场实验系统和天津地区的气象参数建立了模型进行计算机模拟,以较为不利的参数作为输入数据,所得模拟结果表明在冬季开始取热前热量得到了有效的蓄存,说明本地区跨季节土壤蓄热是可行的。 (2)不同的运行模式在热利用效果以及蓄热场温度恢复方面存在明显差异。交叉运行模式优于部分运行模式,两种交叉模式中又以先从外围取热为优。 (3)在选择运行模式时,应以减少蓄热场向外界的传热损失为主来考虑,并注意使整个蓄热场热量得到均衡、有效的利用,以利于温度场的热恢复。参考文献: [1]中国科学院可持续发展研究组.2001年可持续发展战略报告[Ｍ].北京:科学出版社,2001. [2]李新国,赵军,朱强,等.垂直螺旋盘管地源热泵供暖供冷实验研究[Ｊ].太阳能学报,2002,23(6):684-686.

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