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密集型桩埋换热器管群周围土壤换热特性的数值模拟点击：1775 日期：[ 2014-04-26 22:32:26 ] |
| 摘要 以一实际地源热泵系统为例,在全年逐时负荷计算的基础上,对大面积密集型桩埋换热器管群周围土壤的换热特性进行了数值模拟。提出了土壤换热中热屏障的概念,并分析了热屏障的形成原因及其特性,即形状不规则、动态变化和危害性。长期运行中,热屏障带的温度增长速率要高于土壤平均温度的增长,建议从负荷平衡和热屏障两个角度进行分析,以保证地源热泵系统稳定可靠的运行。 关键词 地源热泵 埋地换热器 管群特性 热屏障 数值模拟 引言 在地源热泵工程中,埋地换热器周围土壤温度变化一直是研究、设计人员非常关心的问题,并对此开展了许多积极的理论探讨与实验工作[13]。但是,上述诸多研究都是针对单井(或桩)进行的,其结果较难完全反映实际的管群特性。李新国等人采用多孔介质软件,对单双季运行模式下的垂直埋地换热器管群周围土壤温度场进行了阶段性模拟,得到了较有意义的结论,如对于地源热泵系统,为实现长期稳定运行,应使每年土壤的取热量和放热量保持平衡[4]。显然,这一原则可归结于能量守恒原理,但问题在于满足冷热负荷平衡是否就一定能够保证地源热泵系统稳定可靠运行呢?对此有必要进行更进一步的探讨。本文以南京地区一实际地源热泵系统为例,对大面积密集型地下桩埋换热器管群的换热特性进行数值模拟,并初步探索一些可用于系统运行与设计的合理化指导依据。 1 模型描述 1.1 模拟对象模拟对象为南京地区一实际地源热泵工程中的2#楼(共6栋楼),建筑面积为10155.6ｍ2,采用吊顶辐射供暖供冷系统加置换新风空调系统。2#楼地下换热系统共使用186根挤压桩,单桩直径为300ｍｍ,有效深度为30ｍ,桩内换热器采用双Ｕ型高强度聚乙烯管(ＨＤＰＥ),规格为ＤＮ25。本项目埋桩布置方式与通常的桩基布置有所不同,其桩与桩之间的距离较小(1.8～2.1ｍ),远小于以往研究中所提出的热作用半径(单桩约为2.5～4.5ｍ)[56]。因此,本文中桩与桩之间的传热影响成为了不可忽略的因素。 1.2 土壤初始温度结合气象资料,采用文献[7]提出的模型,对南京地区地下土壤温度变化情况进行了模拟,结果如图1所示。从图中可以看出,南京地区地下土壤温 度随时间呈周期性变化;深度越小,土壤温度的波动越大,当土壤深度超过20～30ｍ后,土壤温度的波动范围已经很小(小于0.5℃),基本上保持相对稳定。南京地区20～30ｍ深处的土壤全年平均温度为17.5℃。考虑到地下换热主要集中在土壤深层部分,文中即以上述温度作为无穷远边界的土壤温度。 1.3 计算模型及参数设置采用二维、无限大、均质、无内热源、非稳态热&传导模型[8],忽略沿土壤深度方向热流变化的影响。计算域为实际尺寸:116.73ｍ×72.33ｍ,网格类型为非规则三角形,数目约为10万个,其中桩基内部双Ｕ型桩埋换热器网格如图2所示。土壤(黏土)、ＨＤＰＥ管及回填材料(膨润土和长江细沙)热物性参数的选取见表1。 为了准确反映实际冷热负荷变化情况,采用ＥｎｅｒｇｙＰｌｕｓ软件对2#楼进行了典型年逐时冷热负荷计算,结果如图3所示(冷负荷为正值,热负荷为负值),并以此作为周期性边界条件进行地下温度场模拟。平均每口桩基全年累计放热量为9746ＭＪ,累计吸热量为7845ＭＪ,放热量比吸热量高出约24%。图3还表明,每年4～5月和9～10月有一段间歇期,这对于地下换热器的稳定运行是比较有利的。 2 模拟结果为研究方便,首先对结构简单的单桩、三桩、四桩以及九桩布置情况进行了模拟,然后考虑整个地下桩群的特性。模拟时间周期设定为1ａ(8760ｈ),即从6月1日放热工况开始到第2年6月1日终止。以三桩模拟结果为例进行分析。图4为温度监测点分布图,图5显示了各监测点的全年温度变化情况。随着冷热负荷的变化,桩群周围的土壤温度也经历了一个“升温→降温→升温”的过程,变( 化曲线与正弦或余弦曲线比较接近。从各监测点的全年温度变化可知,距离桩群越近,温度变化越剧烈,但总体温度变化规律却大致相同,只是在时间相位上的滞后或提前。相比之下,夏季排热工况温度变化振幅大于冬季取热工况。需要特别指出的是,图5中反映出土壤温度升高并不十分显著,这主要是桩基数目较少而相互作用较弱的缘故。下文对整个2#楼地下温度场的模拟表明,随着桩基数目的增加,热作用范围也在不断扩大,局部甚至还会发生重叠现象。 通过模拟还反映出一些比较特殊的现象:夏季工况结束后,桩群周围土壤温度场并没有立刻进入!恢复阶段,而是存在一个较大的热惯性。这种热惯性会随着桩群的密集程度增加而增加,甚至在冬季工况初期时,这种作用仍然存在。从短期运行角度,热惯性作用实际上已经超过了土壤恢复效应。桩群的热作用范围变得较大,扩张到了6～8ｍ左右,这也表明管与管之间已开始发生强烈的相互作用。 上述热惯性作用的持续累积将会形成一个“热屏障”。所谓热屏障,是指从桩群边缘到热作用边缘之间温度相对较高的区域。对于热屏障的产生原因,可以作进一步解释。首先,正如图5所示,土壤吸放热过程是一个相对缓慢且滞后的过程,其时间长短受土壤物性、冷热负荷以及管群结构布置等多因素影响。在峰值负荷期间,由于埋地换热器的排热热流很大,对管群密集程度较高的区域造成了很大的排热负担,一旦超过土壤本身自然的热扩散能力或限度,就会在局部区域产生暂时的能量聚集,持续累积下去,最终就会形成热屏障。因此,热屏障主要受土壤物性、管群布置及冷热负荷比等因素的制约。一般而言,土壤热扩散率越小(通常小于1.0×10-6ｍ2/ｓ,如黏土、砂土、淤泥等)、管群布置越密(管间距远小于单桩热作用半径)、冷热负荷比越大(偏离冷热负荷平衡较远),热屏障现象越明显。 |
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