某圖書館地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試與模擬分析

孟祥來 劉剛 凌晨

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

地源熱泵技術(shù)是一種利用淺層地?zé)豳Y源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)技術(shù)[1]。尤其在夏熱冬冷氣候的長(zhǎng)江流域及其周圍地區(qū)，地源熱泵技術(shù)具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景。加速研究，大力發(fā)展熱泵節(jié)能技術(shù)，必將促進(jìn)自然資源的合理利用，實(shí)現(xiàn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[2]。

目前國(guó)內(nèi)在地源熱泵方面的研究多限于小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，或僅停留在數(shù)值模擬研究階段，同時(shí)越來越多的學(xué)校建筑開始采用地源熱泵系統(tǒng)，考慮到學(xué)校建筑與一般建筑的區(qū)別——學(xué)校建筑布置分散、單體負(fù)荷不大且有著獨(dú)特的寒暑假作息制度。對(duì)于地源熱泵在學(xué)校建筑應(yīng)用中的推廣，有必要針對(duì)性地做出分析研究，以使得地源熱泵的應(yīng)用更環(huán)保節(jié)能，更符合學(xué)校的長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展。地源熱泵地埋管單位換熱能力在間歇運(yùn)行時(shí)的換熱能力較好，這是與熱泵工作原理有關(guān)的[3]，本文研究間歇運(yùn)行條件下東華大學(xué)圖書館地源熱泵系統(tǒng)，可以為上海及周邊地區(qū)同類建筑地源熱泵的使用提供寶貴意見和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 工程案例簡(jiǎn)介

東華大學(xué)圖書館共有三層，二層書庫(kù)空調(diào)面積有1050m2，外文書庫(kù)三樓空調(diào)面積525m2，總空調(diào)面積為1575m2。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)于2010年9月10日建成投入運(yùn)行，主要由三部分組成：熱泵機(jī)組、空調(diào)末端循環(huán)系統(tǒng)以及地下埋管換熱器系統(tǒng)（系統(tǒng)流程圖詳見圖1）。冷熱源主機(jī)采用4臺(tái)水-水熱泵機(jī)組，制熱的總?cè)萘繛?79kW，制冷的總?cè)萘繛?04kW；末端采用6臺(tái)空氣處理機(jī)組，水循環(huán)共設(shè)3臺(tái)循環(huán)泵，2用1備；地埋管換熱器采用單U型地埋管換熱器垂直敷設(shè)，鉆孔直徑為130mm，井深100m，總共45口，其中三口為監(jiān)測(cè)井，管間距為3.5m。管材均采用高密度聚乙烯塑料管（HDPE），回填材料為篩選的當(dāng)?shù)攸S土。另外，系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)冷卻塔，用來平衡土壤換熱器的換熱不勻性。

圖1 地源熱泵系統(tǒng)流程圖

自控系統(tǒng)采用JOHNSON CONTROLS公司的METASYS系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)切換地源熱泵自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)采集檢測(cè)室內(nèi)外側(cè)進(jìn)出水的溫度、流量、機(jī)組設(shè)備的功率、室內(nèi)外溫濕度等參數(shù)；土壤溫度測(cè)試數(shù)據(jù)的采集采用組態(tài)王6.52軟件，其中土壤溫度的測(cè)量采用自制式帶不銹金屬外殼保護(hù)的Pt100鉑電阻熱電偶。采集數(shù)據(jù)的儀器型號(hào)見表1。

表1 儀器類型及參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理

冬季（夏季）地埋管換熱器的吸熱量（釋熱量）Φ[4]（kW）按下式計(jì)算：

式中：qm為水的質(zhì)量流量，kg/s；cp為水的比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；Tout為地埋管的出水平均溫度，℃；Tin為地埋管的進(jìn)水平均溫度，℃。

CFD模擬時(shí)邊界條件需要給定鉆孔壁的熱流密度，計(jì)算公式為：

式中：q為鉆孔壁熱流密度，W/m2；Φ為熱泵機(jī)組的吸（釋）熱量，W；N為鉆孔個(gè)數(shù)；S為鉆孔側(cè)面積，m2（鉆孔深度100m，孔直徑110mm）。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

圖書館作為學(xué)校類公共建筑，其空調(diào)運(yùn)行模式為晝開夜停間歇運(yùn)行，正常開機(jī)時(shí)間為7:30～16:30，運(yùn)行時(shí)間為9小時(shí)，停機(jī)時(shí)間為15小時(shí)，雙休日節(jié)假日均停機(jī)。

冬季運(yùn)行前期是空調(diào)調(diào)試階段，系統(tǒng)不太穩(wěn)定，運(yùn)行階段出現(xiàn)過一些問題，因此耽誤了11月份部分供暖時(shí)期。2010年12月至2011年3月冬季運(yùn)行階段時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表2。

表2 冬季運(yùn)行時(shí)間

系統(tǒng)定流量運(yùn)行，室內(nèi)側(cè)總水流量保持在8L/s，地源側(cè)總水流量保持在9.4L/s，地埋管換熱器內(nèi)水流速保持在0.42m/s。系統(tǒng)初始運(yùn)行階段，因室內(nèi)側(cè)回水溫度較低，熱泵機(jī)組4臺(tái)全部開啟，其制熱能力超過了室內(nèi)需要的熱負(fù)荷，室內(nèi)側(cè)供水溫升較高；熱泵機(jī)組內(nèi)壓縮機(jī)自動(dòng)卸載，而后供熱達(dá)到平衡，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，室內(nèi)側(cè)進(jìn)出水溫平穩(wěn)上升。每間隔10分鐘記錄室內(nèi)側(cè)及地源側(cè)供回水溫度，由式（1）計(jì)算得到供熱量和吸熱量，并取算術(shù)平均值為日平均供熱量和吸熱量。表3為冬季運(yùn)行日的機(jī)組吸熱量及鉆孔壁熱流密度。

表3 冬季運(yùn)行日機(jī)組吸熱量及鉆孔壁熱流密度

冬季運(yùn)行結(jié)束后，進(jìn)入過渡季節(jié)，過渡季節(jié)共95天，夏季空調(diào)運(yùn)行開始于2011年6月20日，統(tǒng)計(jì)夏季地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行情況見表4。

表4 夏季運(yùn)行時(shí)間

夏季系統(tǒng)保持定流量運(yùn)行，室內(nèi)側(cè)總水流量保持在8L/s，地源側(cè)總水流量保持在9.4L/s，地埋管換熱器內(nèi)水流速保持在0.42m/s。統(tǒng)計(jì)夏季運(yùn)行日的機(jī)組吸熱量及鉆孔熱通量如表5。

表5 夏季運(yùn)行日機(jī)組吸熱量及鉆孔熱通量表

統(tǒng)計(jì)得到冬季土壤累計(jì)失熱量174333MJ，夏季土壤累計(jì)的熱量260010MJ，運(yùn)行一年冬夏兩季地埋管換熱器與土壤的換熱量之比為1:1.5。

4 土壤溫度場(chǎng)變化

為便于研究管群中心溫度變化情況及多年運(yùn)行后土壤熱堆積情況，布置三口監(jiān)測(cè)井，其中A井位于管群中心，B、C井位于管群邊緣和外圍起參照作用，每口井沿埋深方向間隔10m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖2為2010年12月7日至2011年10月20日，經(jīng)過了冬季運(yùn)行、過渡季節(jié)恢復(fù)期、夏季運(yùn)行、過渡季節(jié)恢復(fù)期，A監(jiān)測(cè)井土壤溫度不同深度測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況。

圖2 監(jiān)測(cè)井A全年溫度變化

監(jiān)測(cè)井每層土壤溫度與初始溫度相差均不到0.1℃，可認(rèn)為運(yùn)行一年管群中心及地塊周圍土壤溫度基本不變，間歇運(yùn)行模式下土壤恢復(fù)較好。

5 CFD模擬求解及驗(yàn)證

地埋管換熱器與土壤的傳熱過程是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程[5]，本文主要研究關(guān)于鉆孔外土壤傳熱的部分，由于鉆孔面積相對(duì)于周圍土壤面積非常小，為簡(jiǎn)化計(jì)算期間忽略鉆孔內(nèi)部U型管及回填材料，將鉆孔看作一個(gè)熱源，冬季熱流量從土壤傳遞到鉆孔中，夏季鉆孔產(chǎn)生熱通量與周圍土壤換熱。理論上講忽略鉆孔內(nèi)部構(gòu)造的模型比較粗糙，但可以減少測(cè)量參數(shù)帶來的誤差，對(duì)工程應(yīng)用上影響不大，計(jì)算簡(jiǎn)單實(shí)用性更強(qiáng)。作出以下假定：

1）土壤熱物性均勻，不隨土壤溫度變化而變化；

2）地層溫度不受外界環(huán)境溫度的干擾，認(rèn)為地下土壤初始溫度均勻一致；

3）不考慮水分遷移對(duì)熱量傳遞的影響，埋管與土壤之間是純導(dǎo)熱過程；

4）忽略回填材料與土壤間接觸熱阻；

5）鉆孔同一截面的熱通量相同；

6）鉆孔間距足夠大，忽略鉆孔之間的傳熱影響；

7）不考慮土壤與外界大氣對(duì)流換熱。

根據(jù)東華大學(xué)圖書館地源熱泵系統(tǒng)中地埋管換熱器的布置圖，利用Gambit軟件建立平面二維模型幾何模型，求解器選用FLUENT分離式求解器，數(shù)學(xué)模型為能量守恒方程。初始條件定義土壤初始溫度為地源熱泵投入運(yùn)行前測(cè)試得到的土壤平均溫度，邊界條件定義鉆孔外邊界熱通量為計(jì)算出的鉆孔熱通量，停機(jī)階段鉆孔熱通量為0，土壤外邊界定義為絕熱；因空調(diào)運(yùn)行方式為間歇運(yùn)行，首次計(jì)算得到的溫度場(chǎng)作為第二次計(jì)算的初始條件，依次求解。根據(jù)前期土壤熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果定義材料熱物性見表6。

表6 土壤熱物性測(cè)試值

圖書館運(yùn)行方式為晝開夜停，雙休日及節(jié)假日休息，這種間歇運(yùn)行的方式使得每天運(yùn)行后土壤溫度得到了一定的恢復(fù)，同時(shí)五個(gè)工作日所造成的土壤溫度上升或者下降，在周末停機(jī)時(shí)間都得到了較多的恢復(fù)。模擬得到周末停機(jī)時(shí)間，近管壁處土壤溫度恢復(fù)幅度在0.9～1.8℃的范圍內(nèi)，表明圖書館間歇運(yùn)行的方式加快了土壤溫度恢復(fù)速度，有利于地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖3 過渡季土壤溫度恢復(fù)情況

圖3為模擬運(yùn)行一年后地埋管周圍土壤溫度場(chǎng)布，與暑假恢復(fù)前相比，最高溫度鉆孔壁處為1.88℃，降低了1.7℃，恢復(fù)后熱擴(kuò)散面積增加，實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處溫度沒有受到影響，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合。

6 結(jié)論

1）地源熱泵間歇運(yùn)行一年后，冬夏兩季埋管換熱器與土壤換熱量之比為1:1.5，管群內(nèi)部中心及地塊周邊地區(qū)溫度均未受到影響，土壤恢復(fù)性較好，無熱堆積現(xiàn)象，且CFD模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合。

2）學(xué)校建筑布置分散、單體負(fù)荷不大且有著獨(dú)特的寒暑假作息制度。本文通過對(duì)東華大學(xué)圖書館地源熱泵系統(tǒng)間歇運(yùn)行一年后的土壤溫度場(chǎng)分析得出，相對(duì)于一般建筑，學(xué)校建筑更適宜采用地源熱泵系統(tǒng)。

[1]陳煥新,楊培志.地源熱泵[J].太陽能,2000,(4):10-11

[2]張佩芳,袁壽其.地源熱泵的特點(diǎn)及其在長(zhǎng)江流域應(yīng)用前景[J].流體機(jī)械,2003,31(2):50-53

[3]崔萍,刁乃仁,方肇洪.地源熱泵間歇運(yùn)行對(duì)換熱器的影響[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2001,16(1):52-57

[4]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2006

[5]王艷,刁乃仁,王京.U型管地?zé)釗Q熱器熱作用半徑的數(shù)值模擬[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2011,30(3):46-49