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多功能地源热泵埋管周围土壤的温度变化特性

点击:1532 日期:[ 2014-04-26 21:36:02 ]
                     多功能地源热泵埋管周围土壤的温度变化特性                      李舒宏 张小松 杨伟华 周晓林 杨 磊                        (东南大学能源与环境学院,南京210096)     摘要:提出了一种多功能地源热泵空调系统(MFGSHP),该系统除了具有夏季制冷、冬季供热的功能以外,还可全年提供生活热水,有效消除对土壤取热/排热不平衡的现象.模拟了该系统在长江中下游典型气候区长期运行时地下换热器周围土壤的温度分布和变化趋势.模拟结果显示,普通地源热泵空调系统(GSHP)单独供冷运行9a后,会导致地下土壤温度持续升高9K以上,系统的运行状况严重恶化,甚至出现无法正常运行的现象.含热水供应的多功能地源热泵系统运行9a后土壤温度仅下降0·3K,说明其可有效消除传统地源热泵空调系统冬、夏季取热/排热不均现象,缓解土壤温度升高的趋势.此外,该系统还能扩大地源热泵机组的应用范围,提高机组的性能系数.     关键词:数值模拟;吸排热不均;多功能地源热泵系统     中图分类号: TU831·3  文献标志码: A  文章编号:1001-0505(2010)05-0979-06     地源热泵空调系统(GSHP)具有较高的能源利用率,对环境影响较小,其运行特点与性能改善方法受到研究人员的广泛关注[1-2].地源热泵地下埋管换热器对土壤的排热与取热会引起土壤温度变化,这一变化又会对地源热泵的长期运行产生影响.Li等[3]应用Autough2软件对地埋管换热器管群周围土壤的温度变化特性进行了模拟研究,结果表明:如果只向土壤排热,13a后埋管换热器周围土壤的温度将超过35℃;如果只从土壤取热,5a后土壤的温度将低于6℃.因此,有必要引入辅助热源、冷却塔、散热设备(如太阳能热水系统)等来解决系统对土壤取热/排热不平衡的问题.     对于以冬季供热为主的地区,太阳能热水系统是一种常用的地源热泵系统的辅助热源.Ozgenera等[4]对地源热泵和太阳能集热器结合而成的供热系统进行了实验研究,其中U形垂直埋管的直径为32mm,深度为50m. Trillat-Berdal等[5]对地源热泵与太阳能集热器结合的住宅供热系统进行了实验研究,结果表明:复合系统从土壤中获得的热量以及向土壤注入的热量分别为40·3和39·5W /m;经过11个月的连续运行后,通过太阳能热水系统向土壤注入的热量占地源热泵系统从土壤中获得的取热总量的34%,地源热泵系统的制热系数达到3·75.     对于以夏季供冷为主的地区,冷却塔、地表湖水、池塘等是主要的辅助散热措施.Yavuzturk等[6]利用短时间步长模拟方法对混合地源热泵的运行和控制策略进行了研究. Singh等[7]对采用闭式冷却塔的混合地源热泵以及传统地源热泵能的运行费用进行了比较,分析了其有利和不利因素.使用辅助散热措施需要较多的额外投资和运行费用,且系统的控制也变得更复杂.     我国长江中下游地区是典型的夏热冬冷气候地区.地源热泵空调系统在夏季和冬季都能得到较好的应用,但是传统地源热泵空调系统冬季从土壤中获得的热量仍然远远小于夏季其向土壤注入的热量,长期运行将导致土壤温度逐步上升,影响地源热泵的夏季运行效果,甚至可能导致夏季系统无法运行[8].为了降低取热/排热不平衡对地源热泵的影响,需要安装辅助冷却塔或者更多的埋管换热器来降低土壤的温度.另一方面,作为我国经济比较发达的长江中下游地区,住宅和商业建筑对洗浴热水的需求不断增加.热泵热水器效率较高,可减少CO2的排放,是一种高效节能的生产生活热水的设备[9].多功能地源热泵系统将传统的地源热泵空调系统与热泵热水系统有机结合,既可高效提供生活热水,又可缓解系统对土壤取热/排热不平衡的问题[10].Cui等[11]对香港地区配备过热蒸汽冷却器的家用地源热泵空调系统进行了模拟研究,该系统可以提供家庭95%的生活热水,并可有效减少其对土壤的排热.但是,该研究并未涉及夏热冬冷地区需要冬季供热的情况,也没有分析系统对土壤取热/排热不平衡引起的埋管换热器周围土壤温度的变化趋势.     本文通过建立数学模型,利用FLUENT软件对垂直埋管换热器周围的土壤温度分布和长期变化情况进行了模拟研究.利用建立的模型,分析了夏热冬冷典型地区配备热水功能的多功能地源热泵系统(MFGSHP)和传统地源热泵空调系统(GSHP)对土壤温度分布的影响.     1 多功能地源热泵系统     图1为多功能地源热泵系统示意图.该系统除了具有制热、制冷功能外,还能提供生活热水,通过改变制冷剂的流向来切换工作模式.该系统包含以下3种工作模式:①单制冷或制热模式.阀门9,14,18关闭,其余开启,由四通阀2切换来实现供暖供冷模式.②热水模式.阀门14,18开启,其余关闭.③制冷兼供热模式,阀门15,18关闭,其余开启.换热器4为蒸发器,换热器11为冷凝器.       相对于传统的地源热泵系统而言,多功能地源热泵系统向土壤注入的热量有所减少.因此.本文着重分析这2种系统对埋管换热器周围土壤温度分布的影响.     2·换热器管群模型     为了分析加入热泵热水功能后多功能地源热泵系统对埋管换热器周围土壤温度分布的影响,对传统地源热泵系统和多功能地源热泵系统的埋管换热器周围土壤温度的变化情况进行了模拟研究,并对以下3种情况分别进行讨论:①夏季单独运行GSHP;②冬夏两季运行GSHP;③全年运行MFGSHP.     2·1 负荷计算     本文选取的建筑物为南京某个连排住宅,每户建筑面积为220m2,空调面积为150m2,家庭人数为7人,每天空调使用时间为12h,每人的热水用量为98L/(人·d),热水温度为65℃.春、秋季自来水温度为15℃,夏季为24℃,冬季为5℃.     根据采暖度日数HDD18和空调度日数CDD26,将全国分成严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温和等5个不同的气候大区[12].南京为典型的夏热冬冷地区.该地区夏季供冷90d,冬季供热90d.这组数据对长江中下游城市(如南京、上海等)特别具有代表性,冬季供热时间与夏季供冷时间基本相当.     地源热泵空调系统冬季从土壤中获得的热量为:          式中,QWH为地源热泵的制热量; COPW为系统的冬季能效比.     地源热泵空调系统夏季向土壤注入的热量为:          式中,QS0为地源热泵的制冷量;COPS为系统的夏季能效比.     地源热泵热水系统从土壤中获得的热量为:           式中,n为家庭人数;τw为每个季节运行的天数;ρw,vw和cw分别为水的密度、体积和比热;ΔT为自来水和热水的温差; COP表示地源热泵热水器的性能系数.     根据式(1)~(3),利用地源热泵空调系统得到的热量平衡结果如表1所示.                 根据表1的结果,可以计算出传统地源热泵系统与多功能地源热泵系统埋管换热器在春、夏、秋、冬4个季节中的热负荷以及单位管长的热流(见表2).                 热泵设计应以最大负荷为依据.假设埋管深度为36m,根据经验将单位管长钻孔的换热量取为50W /m[4],则该住宅使用的地源热泵系统需要9个地下埋管换热器钻孔(见图2),孔深为36m,钻孔直径为0·1m.                  2·2 数学模型     将土壤中的传热问题转化为固体中非稳态的导热问题进行求解,钻孔等效为一个恒热流的圆柱.土壤的非稳态热传导方程为[13]                         选取中间钻孔深度Z=18m的截面,对距离该孔壁面0,1,2·5m处的温度分布和变化情况进行分析.为保证计算精度、减少计算时间,划分钻孔附件区域时采用小网格,划分离钻孔较远的区域时采用粗网格,网格共计142 721个(见图3).                 3·结果与分析     3·1 GSHP单夏季运行模式     当传统地源热泵夏季运行时,可认为地源热泵空调系统每天连续运行12h,空调期为90d.由于每天机组停机时间相对春秋季时间而言很短,因此模拟中忽略空调期中每天停机期间的土壤温度恢复,但计算中土壤在春、秋、冬季的温度恢复则不可忽略.当地源热泵空调系统不运行时,认为埋管换热器中没有热流.其他条件和2·3节中描述一致.从图4可以看出,随着运行时间的延长,钻孔周围的温度不断上升,但是上升的趋势略有下降.在第9年春季结束后,钻孔壁处(点b)的温度达到299·69K,此时比第1年春季结束后的温度高了6·83K(见表3).此外,距钻孔壁1m处(点c)的温度在第9年春季结束后达到299·60K,距钻孔壁2·5m处(点a)的温度为299·23K,分别比第1年运行结束后的温度升高6·78和6·54K.土壤温度越高,钻孔时埋管换热器中的热量越难传给土壤,因此埋管中流体的温度也就相应升高,由此会导致地源热泵机组的冷凝工况变差,系统制热水性能系数下降,甚至还会出现冷凝工况恶化、机组不能运行的情况,这对以后夏季的运行非常不利.                          由表3可知,对钻孔壁面(点b)而言,第1年经过夏季的运行以及秋、冬、春季的恢复,土壤温度从夏季结束后的306·23K恢复到292·86K,和土壤初始温度290·33K相比,机组在开始运行1年后的温度升高了2·53K.运行9a后,钻孔处土壤温度上升到299·69K,和初始土壤温度相比,温度差别为9·36K.此时机组的运行环境明显恶化,致使机组在夏季刚开始时温度就快速上升,如在第8年夏季运行结束后土壤温度已经上升到314·0K.风冷热泵在夏季运行时,空气的平均温度一般为303·15K,与地源热泵相比,风冷热泵的优势已不存在.这是因为夏季机组向土壤排热时,土壤内部的热量并没有排出,致使土壤温度越升越高.     3·2 GSHP冬夏两季运行模式     当传统地源热泵冬夏两季运行时,可认为地源热泵空调系统每天连续运行12h,空调期为90d.空调期中每天停机期间的土壤温度恢复在计算中可以忽略,但春、秋季的土壤温度恢复则不可忽略.当地源热泵空调系统不运行时,认为埋管换热器中没有热流.其他的条件与2·3中节中描述一致.     从图5可以看出,GSHP冬季供暖时从土壤中获取热量后,土壤温度的升高趋势得到了控制.第9年春季结束后,距钻孔壁2·5m处(点a)的温度为295·39K,比初始土壤温度290·33K高了5·06K,低于GSHP夏季单独运行时的温升(9·36K).此外,钻孔壁处(点b)的温度为295·64K,距钻孔壁1m处(点c)的温度为295·60K,较土壤初始温度分别升高了5·31和5·27K.但是,若干年后,土壤温度的不断升高还是会对夏季地源热泵的运行造成不良影响.                   对比单季运行模式和双季运行模式可知,当机组向土壤注入的热量远大于从土壤吸取的热量时,土壤温度随着运行时间的延长会越来越高,这样不利于机组的运行.为了解决地源热泵空调系统对土壤取热/排热不平衡的问题,一般考虑加入辅助的散热设备.本文将地源热泵空调系统与热泵热水器复合,以缓解取热/排热不平衡问题.这样一方面可以高效率地提供生活热水,另一方面可以减缓地下土壤温度不断升高的趋势.     3·3 MFGSHP全年运行模式     MFGSHP连续运行9a后,离钻孔壁0m处(点b)、1m处(点c)以及2·5m处(点a)的土壤温度分布如图6所示.9a中每年运行结束后的土壤温度基本没什么变化.第9年春季结束后,距钻孔壁2·5m处(点a)的土壤温度为290·01K.由此可见,加入了热水器后,由于吸排热量的均衡,使得土壤温度在9a运行结束后与9a前土壤初始温度几乎一样,这给机组的运行提供了一个很好的运行环境.与风冷热泵相比,其运行系数更高,体现了地源热泵的优越性.                 通过比较图4~图6,可以得到表4中的结果.从表4可以看出,在多功能地源热泵系统运行9a后,土壤的温度均低于传统地源热泵系统,这说明多功能地源热泵明显改善了土壤温度不断升高的趋势.                 由土壤温度的数值模拟结果可知,在冬冷夏热地区,由于夏季地源热泵向土壤排出的热量远远大于冬季从土壤中获得的热量,因此地源热泵地下换热器周围土壤的温度会不断升高,影响地源热泵在多年后的夏季运行状况,甚至导致工况恶化不能运行.加入热水系统以后,可明显改善土壤温度不断升高的趋势,温度甚至可以基本保持不变,这对地源热泵系统的运行是极为有利的.同时,热水系统的加入,提高了制取系统的能源利用率,使建筑物得到了廉价的生活热水供应.     4·结语     本文对传统地源热泵与多功能地源热泵系统在冬冷夏热地区运行时埋管换热器周围的土壤温度分布和变化趋势进行了分析.传统地源热泵空调单季运行时,在第9年春季结束后,距钻孔壁1m处的温度从初始的290·33K升高到299·69K;传统地源热泵冬夏两季运行时,在第9年春季结束后,距钻孔壁1m处的温度从初始的290·33K升高到295·60K,这不利于地源热泵夏季运行.带有热泵热水功能的多功能地源热泵系统在冬夏两季供热供冷以及四季都提供生活热水的情况下,在第9年春季结束后,整个埋管区域的温度仍接近初始温度290·33K,距钻孔壁1m处的温度为289·72K.离钻孔壁2.5m处温度为290.01K,温度比初始温度仅下降0.3K左右.模拟结果表明,多功能地源热泵系统可以有效解决夏热冬冷地区地源热泵空调系统夏季排热远高于冬季取热而引起的土壤温度升高的问题,有利于地源热泵空调系统的夏季运行,并可提高整个机组的运行效率.     参考文献:略
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