用動態(tài)模擬方法設計Ｕ形地埋管換熱器
摘要:給出了Ｕ形地埋管換熱器的數(shù)值模型。利用實測數(shù)據(jù)對比驗證了自主開發(fā)的模擬軟件的準確性。在模擬建筑全年動態(tài)負荷的基礎上，采用該模擬軟件對某地源熱泵工程地埋管換熱器進行了３０年的逐時模擬，確定了埋管方案。指出不能采用單位深度換熱量設計地源熱泵換熱器，必須進行動態(tài)模擬。 關鍵詞：地源熱泵?。招蔚芈窆軗Q熱器 數(shù)值模型 動態(tài)模擬 ０ 引言 地源熱泵空調(diào)在國內(nèi)外受到廣泛關注，發(fā)展迅速［１］。在我國地源熱泵推廣中，科學設計、系統(tǒng)優(yōu)化、規(guī)范施工及基礎研究方面仍需加強［１］。 地源熱泵系統(tǒng)設計必須進行熱響應實驗、建筑動態(tài)負荷計算、熱泵動態(tài)負荷計算、系統(tǒng)方案初步擬定、地埋管換熱器水溫及土壤溫度的動態(tài)模擬等工作。地埋管換熱器設計合理與否是地源熱泵工程成功與否的關鍵，但因地埋管換熱器的非穩(wěn)態(tài)特性而使其設計復雜化。本文給出了地埋管換熱器的數(shù)值模型，在模擬建筑全年動態(tài)負荷基礎上，采用自主開發(fā)的Ｕ形地埋管換熱器動態(tài)數(shù)值模擬軟件，對某地源熱泵工程地埋管換熱器進行了３０ａ的逐時模擬，確定了埋管方案。計算表明，地埋管換熱器動態(tài)數(shù)值模擬方法準確性較高，快速，具有工程實用性。 １ 熱響應實驗 部分工程簡單按經(jīng)驗數(shù)據(jù)設計地源熱泵系統(tǒng)，但由于各種場地地質(zhì)水文條件的差異，經(jīng)驗數(shù)據(jù)不具普適性，估算可能造成系統(tǒng)不合理。因此ＧＢ５０３６６—２００５《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》［２－３］規(guī)定必須進行熱響應實驗。 熱響應實驗的目的在于獲取試驗孔單位深度吸放熱量、巖土的導熱系數(shù)及體積比熱容。必須注意，熱響應實驗獲得的單位深度換熱量只能作為參考進行初步規(guī)劃，因為該數(shù)據(jù)是在特定溫差條件下測得的，并且熱響應測試時間較短，不能有效反映熱量長期累積對換熱的影響。準確的土壤導熱系數(shù)和體積比熱容才是系統(tǒng)設計模擬的基本依據(jù)。巖土熱物性參數(shù)可以在對數(shù)時間坐標上用直線擬合方法計算，也可直接用多參數(shù)估計法計算［２－９］，其基本思想是土壤熱物性參數(shù)具代表性的取值應該保證模型計算水溫與實測水溫的方差小。關于熱物性參數(shù)計算方法的探討，此處不予詳述。 ２ 地埋管換熱器的動態(tài)模擬方法 建筑負荷計算可以采用常見的軟件。此處僅闡述地埋管換熱器的模擬方法。 ２．１ 地埋管換熱器數(shù)值模型 目前國外地熱模擬軟件主要有ＧＬＨＥＰＲＯ，ＧＬＤ［１０］。國內(nèi)有地熱之星軟件①。在參考了現(xiàn)有計算模型［４－１４］的基礎上，筆者采用數(shù)值方法［１５－１７］獨立開發(fā)了Ｕ形地埋管換熱器動態(tài)模擬軟件［１８］。 該軟件采用圓柱熱源模型，鉆孔內(nèi)的傳熱簡化為穩(wěn)態(tài)傳熱，孔外傳熱認為是非穩(wěn)態(tài)的。忽略軸向?qū)?，也忽略地面溫度波動和埋管底部傳熱的影響。離散網(wǎng)格如圖１所示。 式（１）～（９）中 ｔｉ，τ為第ｉ個節(jié)點τ時刻的溫度，℃；Ｑ為某個時刻換熱器的熱負荷，Ｗ；Δτ為時間步長，ｓ；ρｓｃｓ為土壤的體積比熱容，Ｊ／（ｍ３·Ｋ）；Ｖｉ為控制單元的容積，ｍ３；λ為土壤的導熱系數(shù)，Ｗ／（ｍ·Ｋ）；Δｒ為空間步長，ｍ；ｒｉ為第ｉ個節(jié)點對應的半徑，ｍ；ｚ為整個換熱器豎向深度，ｍ。多孔布置時，孔間距的中心位置可以考慮為絕熱邊界，ｔＭ，τ計算式應作相應改變，此略。 流體節(jié)點與孔壁通過下式起來： 式中?。簦鏋榱黧w平均溫度，℃；Ｒｂ為單位深度孔內(nèi)熱阻，ｍ·Ｋ／Ｗ，其計算方法見文獻［１１］；ｔ１為孔壁溫度，℃。 地埋管換熱器進口溫度ｔｆ，ｉｎ和出口溫度ｔｆ，ｏｕｔ分別為： 式（１１）～（１３）中 Δｔｆ為進出口溫差，℃；ｍ為質(zhì)量流量，ｋｇ／ｓ；ｃｐ，ｗ為循環(huán)水的比定壓熱容，Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）。在土壤熱物性參數(shù)、設計流量確定后，利用該模型可以設定換熱器入口溫度已知，計算出口溫度、土壤溫度及換熱量；也可以設定換熱量已知，計算進、出口溫度和土壤溫度。 ２．２ 動態(tài)模擬軟件驗證及討論 為了驗證自主開發(fā)軟件的準確性，筆者采用２００９年４月對綿陽某場地進行熱響應實驗得到的數(shù)據(jù)［１８－１９］進行對比。方法如下：１）根據(jù)實測的進、出水溫度和流量，用線熱源解析模型估計土壤導熱系數(shù)及體積比熱容。２）基于估計的導熱系數(shù)和體積比熱容、實測的流量，以實測入口溫度為已知條件，計算出口溫度。３）比較實測的出口溫度和模擬計算的出口溫度。在設定入口溫度的情況下，雙Ｕ形管出口溫度實測值和模擬計算值的比較如圖２～５所示。 圖２，４表明，吸熱和放熱工況下，出口溫度模擬計算值與實測值趨勢一致，說明數(shù)值模型整體上符合物理規(guī)律。值得注意的是：熱響應實驗初期并不嚴格滿足恒熱流假設，恒熱流線熱源或柱熱源解析解一般用于實驗進行１０ｈ以后才比較準確。該數(shù)值模型適用于變熱流工況，用于放熱／吸熱初期的模擬仍有較高的準確度。 由圖３，５可以看出，模擬值總體偏高，但絕大部分情況下偏差在１℃以內(nèi)。偏差一方面來自于模型及算法的近似處理（比如空間步長、時間步長對精度有影響），另一方面有可能來自于實測數(shù)據(jù)本身（比如巖土熱物性參數(shù)包含有某種程度的不確定性）。筆者認為除了空間步長、時間步長對精度有影響外，孔內(nèi)穩(wěn)態(tài)熱阻的計算也可能造成水溫的較大偏差。文獻［１９］只估算了導熱系數(shù)及體積比熱容２個參數(shù)，孔內(nèi)熱阻采用文獻［１１］的公式計算。筆者擬用熱響應實驗測試數(shù)據(jù)同時估算導熱系數(shù)、體積比熱容及孔內(nèi)熱阻３個參數(shù)。以此為基礎，用數(shù)值模型獲得的水溫模擬值可能會與實測值吻合得更好。 總體來說，自主開發(fā)的軟件具有較高的準確性，可以用于工程設計。遺憾的是目前驗證還于短期的熱響應實驗數(shù)據(jù)，長期模擬（１ａ以上）的準確性還有待進一步驗證。長期模擬可以把軸向傳熱考慮進去。該數(shù)值模型與其他計算模型的對比驗證目前正在進行。 除具有較高準確性外，該軟件計算速度較快，動態(tài)模擬１ａ的運行情況只需機時１ｍｉｎ，用于多種方案的分析篩選方便快捷，非常實用。 目前該軟件還未把地埋管換熱器與熱泵機組耦合起來進行全系統(tǒng)能耗模擬，正在進一步完善。全系統(tǒng)模擬需要給出熱泵機組的性能計算模型。 ３ 地埋管換熱器設計舉例 ３．１ 建筑負荷 某工程夏季空調(diào)設計總冷負荷為１?。担埃埃耄祝究照{(diào)設計總熱負荷為１?。埃埃埃耄祝曛饡r負荷如圖６所示。 ３．２ 冷熱源方案 采用２臺地埋管地源熱泵空調(diào)機組和１臺水冷螺桿式冷水機組。 熱負荷全部由２臺地源熱泵機組承擔。夏季冷負荷小于設計負荷的１／３時，開啟１臺冷水機組，以便土壤恢復冷熱平衡；冷負荷大于設計負荷的１／３時，開啟１臺冷水機組承擔設計負荷的１／３，其余部分由１臺或２臺地源熱泵機組承擔。 ３．３ 地源熱泵機組負荷 根據(jù)冷熱源方案，得到熱泵機組的全年負荷，如圖７所示。 ３．４ 地埋管換熱器負荷 根據(jù)熱泵機組的ＥＥＲ和ＣＯＰ（目前沒考慮機組性能的動態(tài)變化），計算得到地埋管換熱器的全年負荷，如圖８所示。全年累計排熱量為７．０８×１０８?。耄?middot;ｈ，累計吸熱量為９．７４×１０８?。耄?middot;ｈ。全年冷熱負荷比較接近。 ３．５ 換熱器初步方案 根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)條件及打孔費用，建議鉆孔深度為７０ｍ。 圖８中，夏天地埋管換熱器承擔的大放熱負荷為９２４ｋＷ，按單位深度放熱量７０Ｗ／ｍ估計，鉆孔數(shù)為１９０個。圖８中，冬天大吸熱負荷為８０６ｋＷ，按單位深度吸熱量６０Ｗ／ｍ估計，鉆孔數(shù)為１９２個。綜合以上數(shù)據(jù)，確定初步方案：鉆２００孔。 ３．６ 動態(tài)模擬及優(yōu)化 按初步方案（２００孔）全年運行時換熱器的進、出水溫度如圖９所示?？梢钥闯?，２００孔方案出水水溫偏高（高近４０℃，高于３２℃的時間達７４ｈ），不符合熱泵冷水機組運行條件，說明按單位深度吸、放熱量經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行設計是不可靠的。 考慮到熱量累積的影響，打孔數(shù)增加為２６０個，全年運行時換熱器進、出水溫度如圖１０所示。２６０孔方案下，出水溫度超過３２℃的時間不足１８ｈ，低在５℃以上?？梢哉J為全年運行時該系統(tǒng)會有較高的效率。 ２６０孔方案下，孔壁溫度高時刻及低時刻土壤溫度的空間分布如圖１１所示。 ２６０孔方案下，第３０年鉆孔周圍半徑１０ｍ內(nèi)土壤溫度分布如圖１２所示，其中孔壁及距鉆孔中心３，４ｍ處的土壤溫度全年變化如圖１３所示。從圖１１～１３可以看出： １）土壤高溫度分布，運行３０ａ后幾乎沒有變化?？妆诟邷囟燃s為２６℃。 ２）土壤低溫度分布，運行３０ａ后有輕微降低。因為該方案中，累計吸熱比累計放熱大?？妆诘蜏囟燃s為１４．５℃ ３）鉆孔周圍溫度變化明顯的區(qū)域在３ｍ以內(nèi)。因此建議孔間距為６ｍ。 ４ 結(jié)語 本文給出了地埋管換熱器非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值模型。該動態(tài)模型計算準確、快捷，可用于工程設計。計算實例表明，不能采用單位深度換熱量設計地埋管換熱器的終方案，必須進行地埋管換熱器動態(tài)模擬，確定換熱器方案，保證機組運行的條件。本文只模擬了地埋管換熱器，地埋管換熱器與熱泵機組的耦合未考慮。應對該方法進行進一步的完善，以便耦合模擬全系統(tǒng)的能耗。
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