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多功能地源熱泵埋管周圍土壤的溫度變化特性
李舒宏 張小松 楊偉華 周曉林 楊 磊
(東南大學能源與環境學院,南京210096)
摘要:提出了一種多功能地源熱泵空調系統(MFGSHP),該系統除了具有夏季制冷、冬季供熱的功能以外,還可全年提供生活熱水,有效消除對土壤取熱/排熱不平衡的現象.模擬了該系統在長江中下游典型氣候區長期運行時地下換熱器周圍土壤的溫度分布和變化趨勢.模擬結果顯示,普通地源熱泵空調系統(GSHP)單獨供冷運行9a后,會導致地下土壤溫度持續升高9K以上,系統的運行狀況嚴重惡化,甚至出現無法正常運行的現象.含熱水供應的多功能地源熱泵系統運行9a后土壤溫度僅下降0·3K,說明其可有效消除傳統地源熱泵空調系統冬、夏季取熱/排熱不均現象,緩解土壤溫度升高的趨勢.此外,該系統還能擴大地源熱泵機組的應用范圍,提高機組的性能系數.
關鍵詞:數值模擬;吸排熱不均;多功能地源熱泵系統
中圖分類號: TU831·3 文獻標志碼: A 文章編號:1001-0505(2010)05-0979-06
地源熱泵空調系統(GSHP)具有較高的能源利用率,對環境影響較小,其運行特點與性能改善方法受到研究人員的廣泛關注[1-2].地源熱泵地下埋管換熱器對土壤的排熱與取熱會引起土壤溫度變化,這一變化又會對地源熱泵的長期運行產生影響.Li等[3]應用Autough2軟件對地埋管換熱器管群周圍土壤的溫度變化特性進行了模擬研究,結果表明:如果只向土壤排熱,13a后埋管換熱器周圍土壤的溫度將超過35℃;如果只從土壤取熱,5a后土壤的溫度將低于6℃.因此,有必要引入輔助熱源、冷卻塔、散熱設備(如太陽能熱水系統)等來解決系統對土壤取熱/排熱不平衡的問題.
對于以冬季供熱為主的地區,太陽能熱水系統是一種常用的地源熱泵系統的輔助熱源.Ozgenera等[4]對地源熱泵和太陽能集熱器結合而成的供熱系統進行了實驗研究,其中U形垂直埋管的直徑為32mm,深度為50m. Trillat-Berdal等[5]對地源熱泵與太陽能集熱器結合的住宅供熱系統進行了實驗研究,結果表明:復合系統從土壤中獲得的熱量以及向土壤注入的熱量分別為40·3和39·5W /m;經過11個月的連續運行后,通過太陽能熱水系統向土壤注入的熱量占地源熱泵系統從土壤中獲得的取熱總量的34%,地源熱泵系統的制熱系數達到3·75.
對于以夏季供冷為主的地區,冷卻塔、地表湖水、池塘等是主要的輔助散熱措施.Yavuzturk等[6]利用短時間步長模擬方法對混合地源熱泵的運行和控制策略進行了研究. Singh等[7]對采用閉式冷卻塔的混合地源熱泵以及傳統地源熱泵能的運行費用進行了比較,分析了其有利和不利因素.使用輔助散熱措施需要較多的額外投資和運行費用,且系統的控制也變得更復雜.
我國長江中下游地區是典型的夏熱冬冷氣候地區.地源熱泵空調系統在夏季和冬季都能得到較好的應用,但是傳統地源熱泵空調系統冬季從土壤中獲得的熱量仍然遠遠小于夏季其向土壤注入的熱量,長期運行將導致土壤溫度逐步上升,影響地源熱泵的夏季運行效果,甚至可能導致夏季系統無法運行[8].為了降低取熱/排熱不平衡對地源熱泵的影響,需要安裝輔助冷卻塔或者更多的埋管換熱器來降低土壤的溫度.另一方面,作為我國經濟比較發達的長江中下游地區,住宅和商業建筑對洗浴熱水的需求不斷增加.熱泵熱水器效率較高,可減少CO2的排放,是一種高效節能的生產生活熱水的設備[9].多功能地源熱泵系統將傳統的地源熱泵空調系統與熱泵熱水系統有機結合,既可高效提供生活熱水,又可緩解系統對土壤取熱/排熱不平衡的問題[10].Cui等[11]對香港地區配備過熱蒸汽冷卻器的家用地源熱泵空調系統進行了模擬研究,該系統可以提供家庭95%的生活熱水,并可有效減少其對土壤的排熱.但是,該研究并未涉及夏熱冬冷地區需要冬季供熱的情況,也沒有分析系統對土壤取熱/排熱不平衡引起的埋管換熱器周圍土壤溫度的變化趨勢.
本文通過建立數學模型,利用FLUENT軟件對垂直埋管換熱器周圍的土壤溫度分布和長期變化情況進行了模擬研究.利用建立的模型,分析了夏熱冬冷典型地區配備熱水功能的多功能地源熱泵系統(MFGSHP)和傳統地源熱泵空調系統(GSHP)對土壤溫度分布的影響.
1 多功能地源熱泵系統
圖1為多功能地源熱泵系統示意圖.該系統除了具有制熱、制冷功能外,還能提供生活熱水,通過改變制冷劑的流向來切換工作模式.該系統包含以下3種工作模式:①單制冷或制熱模式.閥門9,14,18關閉,其余開啟,由四通閥2切換來實現供暖供冷模式.②熱水模式.閥門14,18開啟,其余關閉.③制冷兼供熱模式,閥門15,18關閉,其余開啟.換熱器4為蒸發器,換熱器11為冷凝器.
相對于傳統的地源熱泵系統而言,多功能地源熱泵系統向土壤注入的熱量有所減少.因此.本文著重分析這2種系統對埋管換熱器周圍土壤溫度分布的影響.
2·換熱器管群模型
為了分析加入熱泵熱水功能后多功能地源熱泵系統對埋管換熱器周圍土壤溫度分布的影響,對傳統地源熱泵系統和多功能地源熱泵系統的埋管換熱器周圍土壤溫度的變化情況進行了模擬研究,并對以下3種情況分別進行討論:①夏季單獨運行GSHP;②冬夏兩季運行GSHP;③全年運行MFGSHP.
2·1 負荷計算
本文選取的建筑物為南京某個連排住宅,每戶建筑面積為220m2,空調面積為150m2,家庭人數為7人,每天空調使用時間為12h,每人的熱水用量為98L/(人·d),熱水溫度為65℃.春、秋季自來水溫度為15℃,夏季為24℃,冬季為5℃.
根據采暖度日數HDD18和空調度日數CDD26,將全國分成嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖、溫和等5個不同的氣候大區[12].南京為典型的夏熱冬冷地區.該地區夏季供冷90d,冬季供熱90d.這組數據對長江中下游城市(如南京、上海等)特別具有代表性,冬季供熱時間與夏季供冷時間基本相當.
地源熱泵空調系統冬季從土壤中獲得的熱量為：
式中,QWH為地源熱泵的制熱量; COPW為系統的冬季能效比.
地源熱泵空調系統夏季向土壤注入的熱量為：
式中,QS0為地源熱泵的制冷量;COPS為系統的夏季能效比.
地源熱泵熱水系統從土壤中獲得的熱量為：
式中,n為家庭人數;τw為每個季節運行的天數;ρw,vw和cw分別為水的密度、體積和比熱;ΔT為自來水和熱水的溫差; COP表示地源熱泵熱水器的性能系數.
根據式(1)~(3),利用地源熱泵空調系統得到的熱量平衡結果如表1所示.
根據表1的結果,可以計算出傳統地源熱泵系統與多功能地源熱泵系統埋管換熱器在春、夏、秋、冬4個季節中的熱負荷以及單位管長的熱流(見表2).
熱泵設計應以最大負荷為依據.假設埋管深度為36m,根據經驗將單位管長鉆孔的換熱量取為50W /m[4],則該住宅使用的地源熱泵系統需要9個地下埋管換熱器鉆孔(見圖2),孔深為36m,鉆孔直徑為0·1m.
2·2 數學模型
將土壤中的傳熱問題轉化為固體中非穩態的導熱問題進行求解,鉆孔等效為一個恒熱流的圓柱.土壤的非穩態熱傳導方程為[13]
選取中間鉆孔深度Z=18m的截面,對距離該孔壁面0,1,2·5m處的溫度分布和變化情況進行分析.為保證計算精度、減少計算時間,劃分鉆孔附件區域時采用小網格,劃分離鉆孔較遠的區域時采用粗網格,網格共計142 721個(見圖3).
3·結果與分析
3·1 GSHP單夏季運行模式
當傳統地源熱泵夏季運行時,可認為地源熱泵空調系統每天連續運行12h,空調期為90d.由于每天機組停機時間相對春秋季時間而言很短,因此模擬中忽略空調期中每天停機期間的土壤溫度恢復,但計算中土壤在春、秋、冬季的溫度恢復則不可忽略.當地源熱泵空調系統不運行時,認為埋管換熱器中沒有熱流.其他條件和2·3節中描述一致.從圖4可以看出,隨著運行時間的延長,鉆孔周圍的溫度不斷上升,但是上升的趨勢略有下降.在第9年春季結束后,鉆孔壁處(點b)的溫度達到299·69K,此時比第1年春季結束后的溫度高了6·83K(見表3).此外,距鉆孔壁1m處(點c)的溫度在第9年春季結束后達到299·60K,距鉆孔壁2·5m處(點a)的溫度為299·23K,分別比第1年運行結束后的溫度升高6·78和6·54K.土壤溫度越高,鉆孔時埋管換熱器中的熱量越難傳給土壤,因此埋管中流體的溫度也就相應升高,由此會導致地源熱泵機組的冷凝工況變差,系統制熱水性能系數下降,甚至還會出現冷凝工況惡化、機組不能運行的情況,這對以后夏季的運行非常不利.
由表3可知,對鉆孔壁面(點b)而言,第1年經過夏季的運行以及秋、冬、春季的恢復,土壤溫度從夏季結束后的306·23K恢復到292·86K,和土壤初始溫度290·33K相比,機組在開始運行1年后的溫度升高了2·53K.運行9a后,鉆孔處土壤溫度上升到299·69K,和初始土壤溫度相比,溫度差別為9·36K.此時機組的運行環境明顯惡化,致使機組在夏季剛開始時溫度就快速上升,如在第8年夏季運行結束后土壤溫度已經上升到314·0K.風冷熱泵在夏季運行時,空氣的平均溫度一般為303·15K,與地源熱泵相比,風冷熱泵的優勢已不存在.這是因為夏季機組向土壤排熱時,土壤內部的熱量并沒有排出,致使土壤溫度越升越高.
3·2 GSHP冬夏兩季運行模式
當傳統地源熱泵冬夏兩季運行時,可認為地源熱泵空調系統每天連續運行12h,空調期為90d.空調期中每天停機期間的土壤溫度恢復在計算中可以忽略,但春、秋季的土壤溫度恢復則不可忽略.當地源熱泵空調系統不運行時,認為埋管換熱器中沒有熱流.其他的條件與2·3中節中描述一致.
從圖5可以看出,GSHP冬季供暖時從土壤中獲取熱量后,土壤溫度的升高趨勢得到了控制.第9年春季結束后,距鉆孔壁2·5m處(點a)的溫度為295·39K,比初始土壤溫度290·33K高了5·06K,低于GSHP夏季單獨運行時的溫升(9·36K).此外,鉆孔壁處(點b)的溫度為295·64K,距鉆孔壁1m處(點c)的溫度為295·60K,較土壤初始溫度分別升高了5·31和5·27K.但是,若干年后,土壤溫度的不斷升高還是會對夏季地源熱泵的運行造成不良影響.
對比單季運行模式和雙季運行模式可知,當機組向土壤注入的熱量遠大于從土壤吸取的熱量時,土壤溫度隨著運行時間的延長會越來越高,這樣不利于機組的運行.為了解決地源熱泵空調系統對土壤取熱/排熱不平衡的問題,一般考慮加入輔助的散熱設備.本文將地源熱泵空調系統與熱泵熱水器復合,以緩解取熱/排熱不平衡問題.這樣一方面可以高效率地提供生活熱水,另一方面可以減緩地下土壤溫度不斷升高的趨勢.
3·3 MFGSHP全年運行模式
MFGSHP連續運行9a后,離鉆孔壁0m處(點b)、1m處(點c)以及2·5m處(點a)的土壤溫度分布如圖6所示.9a中每年運行結束后的土壤溫度基本沒什么變化.第9年春季結束后,距鉆孔壁2·5m處(點a)的土壤溫度為290·01K.由此可見,加入了熱水器后,由于吸排熱量的均衡,使得土壤溫度在9a運行結束后與9a前土壤初始溫度幾乎一樣,這給機組的運行提供了一個很好的運行環境.與風冷熱泵相比,其運行系數更高,體現了地源熱泵的優越性.
通過比較圖4~圖6,可以得到表4中的結果.從表4可以看出,在多功能地源熱泵系統運行9a后,土壤的溫度均低于傳統地源熱泵系統,這說明多功能地源熱泵明顯改善了土壤溫度不斷升高的趨勢.
由土壤溫度的數值模擬結果可知,在冬冷夏熱地區,由于夏季地源熱泵向土壤排出的熱量遠遠大于冬季從土壤中獲得的熱量,因此地源熱泵地下換熱器周圍土壤的溫度會不斷升高,影響地源熱泵在多年后的夏季運行狀況,甚至導致工況惡化不能運行.加入熱水系統以后,可明顯改善土壤溫度不斷升高的趨勢,溫度甚至可以基本保持不變,這對地源熱泵系統的運行是極為有利的.同時,熱水系統的加入,提高了制取系統的能源利用率,使建筑物得到了廉價的生活熱水供應.
4·結語
本文對傳統地源熱泵與多功能地源熱泵系統在冬冷夏熱地區運行時埋管換熱器周圍的土壤溫度分布和變化趨勢進行了分析.傳統地源熱泵空調單季運行時,在第9年春季結束后,距鉆孔壁1m處的溫度從初始的290·33K升高到299·69K;傳統地源熱泵冬夏兩季運行時,在第9年春季結束后,距鉆孔壁1m處的溫度從初始的290·33K升高到295·60K,這不利于地源熱泵夏季運行.帶有熱泵熱水功能的多功能地源熱泵系統在冬夏兩季供熱供冷以及四季都提供生活熱水的情況下,在第9年春季結束后,整個埋管區域的溫度仍接近初始溫度290·33K,距鉆孔壁1m處的溫度為289·72K.離鉆孔壁2.5m處溫度為290.01K,溫度比初始溫度僅下降0.3K左右.模擬結果表明,多功能地源熱泵系統可以有效解決夏熱冬冷地區地源熱泵空調系統夏季排熱遠高于冬季取熱而引起的土壤溫度升高的問題,有利于地源熱泵空調系統的夏季運行,并可提高整個機組的運行效率.
參考文獻：略
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