地源熱泵鉆孔布置形式對土壤溫度場的模擬研究

車文昊 白 莉 常文濤 化亞魏

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130118)

土壤源熱泵具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，從上世紀(jì)80年代我國開始對熱泵技術(shù)進(jìn)行研究，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，地源熱泵技術(shù)已在我國得到廣泛的應(yīng)用，工程應(yīng)用數(shù)量越來越多.但是，由于地埋管換熱器設(shè)計(jì)不合理，管理運(yùn)行不規(guī)范導(dǎo)致地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行幾年后出現(xiàn)換熱情況惡化、機(jī)組效率降低的情況時有發(fā)生.從目前的研究現(xiàn)狀來看，大多數(shù)研究集中在單井傳熱分析及增強(qiáng)傳熱，以及地源熱泵與其他系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行方面，例如地源熱泵-輻射供冷/暖系統(tǒng)、地源熱泵-冰蓄冷系統(tǒng)、太陽能-地源熱泵系統(tǒng)等，而對于地源熱泵井群傳熱方式研究較少.在實(shí)際工程應(yīng)用中，合理地布置井群，不僅能夠使機(jī)組高效地運(yùn)行，也能在一定程度上降低工程的經(jīng)濟(jì)成本，因此對井群的研究也是必要的.本文主要探索在管間距一定的情況下，井群叉排與井群順排兩種布井方式對土壤溫度場的影響.

1 評價指標(biāo)

在對布井方式進(jìn)行評價時需要引入一個統(tǒng)一的評價指標(biāo)，本文采用文獻(xiàn)[1]中提出的對井群進(jìn)行熱分析時引入的無量綱參數(shù)—區(qū)域熱效率Ei進(jìn)行評價.

式中，qi,n為井群布置時第i個鉆孔的熱流；qi,n=1為1個鉆孔單獨(dú)布置，采用相同的模擬條件時的熱流;n為井群的鉆孔數(shù)量.在引入的結(jié)果評價參數(shù)中，單井的熱效率認(rèn)為是最高的，即qi,n=1=1.

2 影響地埋管井群換熱的因素

影響地埋管井群換熱效率的因素有很多，但最重要的因素有兩個，分別為管間距和和井群布置方式.

(1) 管間距. GB 50336-2009《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[2]條文4.3.8中規(guī)定，為使鉆孔間距滿足換熱要求，間距宜為3m～6m，美國ASHRAE《地源熱泵工程技術(shù)指南》中推薦的最小間距為15ft(4.572m)[3].研究表明，鉆孔間距的增大，能明顯減緩井群區(qū)域熱效率的衰減，其井群區(qū)域熱效率的變化也越接近于單井的熱效率[4].但鉆孔間距增大帶來的井群熱效率增大的幅度也逐漸減小，實(shí)際工程中因?yàn)榈乇砻娣e有限，不會無限增大鉆孔間距[4].本文主要探討井群布置方式對土壤溫度場的影響，因此設(shè)定孔間距為5m.

(2) 井群布置方式. 井群的布置方式對地源熱泵系統(tǒng)的影響也非常大，合理設(shè)計(jì)布置方式可以提高地下?lián)Q熱器的換熱效率，節(jié)省地表占地面積，降低初投資.GB 50366-2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定鉆孔布置方式應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件確定；美國ASHRAE《地源熱泵工程技術(shù)指南》給出的設(shè)計(jì)原則是大面積井群布置要減少熱積聚.由此可以看出，技術(shù)規(guī)范和技術(shù)指南中只是提出了基本的設(shè)計(jì)原則，而未提及具體的設(shè)計(jì)方法及數(shù)據(jù)，不利于在工程實(shí)際中的大范圍應(yīng)用.目前實(shí)際工程中井群的排列布置時，由于沒有可以參考的成功案例，大多采用順排形式，未能根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).本文通過數(shù)值模擬分析的方法比較兩種排列方式的優(yōu)劣.

3 數(shù)值模擬及分析

模擬計(jì)算區(qū)域?yàn)?0m×30m，模擬時間為3個月，方案1為叉排布置，孔間距為5m；方案2為順排布置，孔間距為5m(見圖1).方案1與方案2除排列布置方式不同外，其他條件均相同.

圖1為地源熱泵井群運(yùn)行3個月后土壤溫度分布云圖，由圖中可以看出，在相同的鉆孔間距下，占地面積一定時，方案1容納鉆孔數(shù)量比方案2多2孔，而方案1和方案2在系統(tǒng)運(yùn)行3個月后土壤的平均溫降分別為1.35K和1.26K，溫差相差較?。粓D2為叉排與順排在y=0時溫度分布曲線，平均溫差分別為280.2K，280.3K，溫差相對較小.經(jīng)過計(jì)算可得方案1與方案2的區(qū)域熱效率Ei,1=0.72，Ei,2=0.74,Ei,1略小于Ei,z.由此可知，在可接受的熱效率下降范圍內(nèi)，雖然井群叉排布置時的熱效率略低于井群順排布置時的熱效率，但叉排布置卻比順排布置時節(jié)省占地面積，更加有利于土壤源熱泵的推廣與應(yīng)用.

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行3個月后土壤溫度云圖

圖2 叉排與順排在y=0時溫度分布曲線

4 結(jié)論

本文通過建立井群的傳熱模型，比較井群叉排布置時與井群順排布置時的熱效率，得到如下結(jié)論：雖然井群叉排布置時的熱效率略低于順排時的熱效率，但其降低幅度在可接受范圍內(nèi)，而且相對于井群的順排布置叉排布置節(jié)約占地面積，在一定程度上提高了工程的經(jīng)濟(jì)性，綜合考慮來看叉排布置形式優(yōu)于順排布置形式.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Qiang Zhang．Heat transfer analysis of vertical Utubeheat exchangers in a multiple borehole filed forground source heat pump systemsr[D]．University of Kentucky,1999.

[2] 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB 50336-2005)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3] 美國制冷空調(diào)工程師協(xié)會．地源熱泵工程技術(shù)指南[S].徐 偉譯．北京：中國占地工業(yè)出版社，2001.

[4] 余 斌，王灃浩，顏 亮.鉆孔間距和布置形式對地埋管井群傳熱影響的研究[J].制冷與空調(diào)，2010，10(5)：31-34.