基于TRNSYS的雙U型垂直埋管換熱器的模擬分析*

龔光彩，曾令文，王漢青，蘇 歡，陳 帆

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

土壤源熱泵系統(tǒng)是由傳熱介質(zhì)通過豎直或水平土壤換熱器與巖土體進行熱交換的地源熱泵系統(tǒng)，也稱地耦合系統(tǒng).與空氣源熱泵相比，土壤源熱泵系統(tǒng)不需要風(fēng)機，噪聲?。徊恍枰?，從而節(jié)省熱泵的除霜損失，提高系統(tǒng)運行的可靠性；同利用地下水、地表水為低位熱源的水源熱泵相比，適用范圍較廣，它不受地下水、地表水資源的限制，只要有足夠的埋管空間即可[1].

根據(jù)相關(guān)專家委員會的統(tǒng)計，2007年，我國土壤源熱泵系統(tǒng)的使用比例占地源熱泵系統(tǒng)總額的32%，2009年這一比例為34%[1]，呈逐年上升的趨勢.這說明土壤源熱泵系統(tǒng)在我國的應(yīng)用越來越普遍.但是，土壤溫度場的變化情況對系統(tǒng)的長期運行提出了嚴(yán)峻的考驗.李新國等人在所建立的內(nèi)熱源型埋地?fù)Q熱器模型基礎(chǔ)上，采用專業(yè)多孔介質(zhì)計算軟件Autough2模擬了不同工況下土壤溫度的變化[2]；劉俊等人提出地源熱泵樁基埋管傳熱性能的測試方法，并與傳統(tǒng)的熱響應(yīng)原理進行比較，為地源熱泵的優(yōu)化設(shè)計提供了參考[3]；周志華等人針對天津市某工程的土壤源熱泵系統(tǒng)進行為期一年的土壤溫度變化規(guī)律測試，發(fā)現(xiàn)土壤的熱惰性將有助于不同季節(jié)的熱交換，且實驗地區(qū)埋管作用半徑大于2.5 m，并會波及到5 m遠(yuǎn)處，但影響較小[4]；楊昌智等人建立了鉆井單位井深換熱量與鉆井深度、流量變化關(guān)系的計算模型，并分析了不同鉆井深度條件下，鉆井單位井深換熱量隨流量的變化規(guī)律[5]；蔡穎玲等人利用上海某一土壤源熱泵實驗裝置，進行了冬季工況實驗，測得熱泵運行前后地下埋管周圍土壤的溫度分布，測試了熱泵運行時室外換熱器的換熱情況[6]；Jalaluddin等人研究了在不同的運行模式下，不同類型垂直埋管的換熱性能[7]；花莉等人利用模擬軟件TRNSYS構(gòu)建土壤源熱泵系統(tǒng)模型，研究土壤源熱泵系統(tǒng)長期運行的熱平衡問題[8].

在夏熱冬冷地區(qū)，對于建筑冷負(fù)荷往往大于熱負(fù)荷的建筑，若由土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)所有的建筑負(fù)荷，則會導(dǎo)致埋管周圍土壤溫度逐年上升，導(dǎo)致系統(tǒng)運行幾年后，熱泵cop逐漸下降[8].本文將針對這樣的問題，著重研究夏季影響埋管周圍土壤平均溫度的因素，并分析這些因素的影響程度，為工程實踐提供參考.

1 仿真模型

1．1 模擬軟件TRNSYS簡介

TRNSYS軟件最早由Wisconsin Madison大學(xué)Solar Energy實驗室(SEL)開發(fā)研制，其涉及的范圍較廣，可對多種系統(tǒng)的運行狀況進行動態(tài)仿真.TRNSYS是模塊化的動態(tài)仿真軟件，所謂模塊化，即認(rèn)為所有系統(tǒng)均由若干個小的系統(tǒng)(即模塊)組成，一個模塊實現(xiàn)某一種特定的功能[8].

1．2 模擬對象簡介

本文的模型是基于長沙市某一實際工程，該工程的主體結(jié)構(gòu)并未完工，但是地下埋管換熱器已經(jīng)鋪設(shè)完畢.室外共有140口換熱井，其中15%作為備用，井深均為100 m，鉆井間距為4 m，采用雙U埋管方式，管外徑為DN25，管內(nèi)徑為DN20，管材均為PE，回填材料采用砂石，地質(zhì)的分層情況如表1所示.

表1 地質(zhì)分層情況

1．3 模塊簡介

本文利用TRNSYS16，建立雙U型垂直埋管換熱器的仿真模型，探究影響地埋管周圍土壤平均溫度的因素，并分析各因素的影響程度，主要用到的模塊有：

1)Type109-TMY2：可以以規(guī)定的時間步長，從一個外部數(shù)據(jù)文件中讀取氣象資料，并且將這些氣象資料傳遞給TRNSYS中的其他組件.該組件所讀取的數(shù)據(jù)文件必須是標(biāo)準(zhǔn)TMY2格式的文件.本文中所使用的數(shù)據(jù)文件是由Metenorm Version 6.0生成.

2)Type557：Vertical Ground Heat Exchanger，豎直埋管換熱器模塊有兩種形式：U形管換熱器、套管換熱器.TRNSYS 中的地埋管換熱器模型是DST(Duct Ground Heat Storage)模型， DST模型利用空間重疊法來獲得土壤中的溫度分布，其主要包括以下3個部分：整個儲熱裝置與外部的熱傳遞；在短時間尺度內(nèi)鉆孔壁周圍的熱傳遞；與最近埋管的穩(wěn)流熱傳遞.此模型利用數(shù)值方法來解決前兩個問題，用解析方法來解決第3個問題[8].

3)Type114：Single Speed，單速水泵，可以確保水泵出口的質(zhì)量流量是一個常數(shù).此模型依據(jù)額定流量參數(shù)以及當(dāng)前的控制信號來設(shè)定下游的流量.

4)Type6：Auxiliary Heaters，輔助加熱器，在外部控制信號為1的時候，根據(jù)用戶設(shè)定的功率，給流體加熱.本模型用加熱器近似模擬夏季地源熱泵機組的冷凝器，從而使模型簡化.

1．4 模型的搭建

本模型是依據(jù)土壤熱物性測試所使用的實驗設(shè)備而搭建的，長沙市的氣象資料是由Metenorm Version 6.0生成，再通過Type109-TMY2導(dǎo)入到模型中.將模型的加熱器近似看作是夏季空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器，即埋管內(nèi)的循環(huán)液體經(jīng)過加熱器，被加熱后溫度升高，攜帶熱量進入地埋管，接著將熱量通過導(dǎo)熱和對流的方式傳給地下土壤，土壤溫度升高，循環(huán)液體得到冷卻，最后回到加熱器完成一個循環(huán)過程，這其中，水泵提供循環(huán)動力.加熱器的加熱量為用于模擬的地埋管的設(shè)計冷負(fù)荷.具體模型如圖1所示：

圖1 Simulation studio中模型結(jié)構(gòu)圖

2 模型的驗證

本文將實測的結(jié)果與該模型所模擬出來的結(jié)果進行對比，從而驗證該模型的準(zhǔn)確性.模型中各組件的參數(shù)與實驗參數(shù)保持一致，只對其中一口井進行測試，加熱器的功率為6 kW，由于實驗條件有限，現(xiàn)階段無法通過實驗獲取土壤的平均溫度，因此模型的驗證對象只是地埋管進出口溫度.測試時間為7月29日晚上七點半～7月31日下午五點半，記錄數(shù)據(jù)的時間間隔為30 min.

從圖2可以看出，利用所建立的模型模擬與實測的地埋管進出口溫度曲線相似.實測的地埋管進出口溫度的最終穩(wěn)定值分別為35.3 ℃，32.3 ℃，而模型模擬的結(jié)果分別為35.88 ℃，32.73 ℃，相比于實測結(jié)果，進口溫度高了0.58 ℃，出口溫度高了0.4 ℃，而實測的地埋管進出口溫差為3.00 ℃，模型模擬的為3.15 ℃，兩者的差值幾乎可以忽略不計.但是，實測的地埋管進出水溫度的曲線滯后于模型模擬的地埋管進出水溫度曲線，同時，實測的曲線沒有模型模擬的曲線上升快，這可能是由于以下原因所造成的：1)由于模型所使用的氣象參數(shù)是由Metenorm Version 6.0生成，此軟件基于典型氣象年的原理來生成各個地區(qū)的氣象資料，與實際的氣象參數(shù)存在差別；2)實測過程中，幾段PE管露在室外，雖對其采取了保溫措施，但仍會產(chǎn)生熱損失，帶來一定誤差.因此，可以認(rèn)為該模型是準(zhǔn)確的.與此同時，對單口井的驗證說明，TRNSYS中雙U型垂直埋管換熱器模塊所包含的數(shù)學(xué)模型與實際過程相符，并且多口井的熱效應(yīng)可以看作是同樣數(shù)量單口井熱效應(yīng)的疊加，因此該模型可以推廣到多口井的模擬研究.

時間/h

3 土壤平均溫度的影響因素分析

土壤源熱泵系統(tǒng)是能夠在夏季將熱量傳遞到地下土壤中的，在冬季能夠?qū)⒌叵峦寥赖臒崃刻崛〕鰜淼?因此，土壤源熱泵技術(shù)將在建筑的制冷和供熱過程中扮演很重要的角色.在取熱和放熱的過程中，影響系統(tǒng)熱效率的主要因素有兩點：1)地埋管換熱器的幾何形狀；2)周圍土壤的熱物性特征[9].其中，周圍土壤熱物性特征的影響尤為明顯，已有學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)：周圍土壤的導(dǎo)熱系數(shù)對土壤平均溫度有較大的影響[8],本文不再對該因素進行考慮，因為當(dāng)工程項目確定后，埋管區(qū)域的土壤參數(shù)就確定下來了，使其改變的可能性比較小.在夏熱冬冷地區(qū)，對于建筑冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷的建筑，即土壤源熱泵系統(tǒng)在夏季和冬季分別向土壤釋放的熱量和從土壤吸收的熱量不一致，且前者往往大于后者時，若由土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)全部的空調(diào)負(fù)荷，則連續(xù)運行幾年后，土壤的溫度會明顯升高，系統(tǒng)效率會大大降低，如果運行時間更長，系統(tǒng)甚至?xí)谙募緹o法運行.

針對以上問題，下面將從鉆井深度、鉆井間距、回填材料導(dǎo)熱系數(shù)和鉆井?dāng)?shù)量這幾個影響因素出發(fā)，研究土壤源熱泵系統(tǒng)在夏季運行過程中，埋管周圍土壤平均溫度的變化情況，同時模擬過程中保證總的設(shè)計負(fù)荷不變(即24 kW)，模擬時間為5 d，從8月1日下午3點半～8月6日下午3點半.

3.1 鉆井深度對土壤平均溫度的影響

在土壤源熱泵系統(tǒng)中，埋管深度有3種形式：(ⅰ)淺埋；(ⅱ)中埋；(ⅲ)深埋.淺埋方式初投資成本低，但占用場地面積大，埋管換熱效率較低；深埋方式占用場地面積小，地下巖土溫度穩(wěn)定，換熱效率高，但初投資成本高；而中埋方式介于兩者之間，也是目前使用最為普遍的方式[9]. 下面在保證鉆井間距為4 m、回填材料為砂石及鉆井?dāng)?shù)量為4口的前提下，將通過所建立的模型來模擬鉆井深度與土壤平均溫度的關(guān)系.

由圖3可以看出，在5 d的模擬時間內(nèi)，不管鉆井深度為多少，土壤平均溫度與時間成正比例關(guān)系.隨著鉆井深度的逐漸增加，土壤平均溫度曲線的斜率越來越小，即在系統(tǒng)連續(xù)運行5 d的條件下，初末工況下土壤平均溫度的溫升與鉆井深度成反比，這主要是因為當(dāng)鉆井深度增加時，意味著用來儲存熱量的土壤體積增加了，所以平均溫度相對下降.同時還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉆井深度從40 m增加到60 m時，土壤的初末平均溫差減少了1 ℃；當(dāng)鉆井深度從60 m增加到80 m時，土壤的初始平均溫差減少了0.5 ℃；當(dāng)鉆井深度從80 m增加到100 m時，土壤初末平均溫差減少了0.3 ℃，即當(dāng)鉆井深度以等差規(guī)律上升時，土壤初末平均溫差的降幅越來越小.隨著鉆井深度的增加，鉆井的成本也會越來越大.鉆井深度小于60 m時，增加井深，土壤初末平均溫差的降幅很明顯；鉆井大于100 m時，再增加井深，土壤初末平均溫差的降幅可以忽略，因此，可以認(rèn)為鉆井的最佳深度為60～100 m.

時間/h

3.2 鉆井間距對土壤平均溫度的影響

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，豎直鉆井的間距宜為3～6 m，為了得出鉆井間距與土壤平均溫度的關(guān)系，下面在保證鉆井深度為100 m、回填材料為砂石及鉆井?dāng)?shù)量為4口的前提下，用模型模擬間距分別為3，4，5，6 m時的土壤平均溫度變化曲線.

由圖4可以看出，鉆井間距一定時，土壤平均溫度與時間成正比例關(guān)系.當(dāng)鉆井間距逐漸增加時，土壤平均溫度曲線的斜率將逐漸減小，并且當(dāng)間距等幅度增加時，土壤初末平均溫差的降幅將越來越小.同時當(dāng)間距小于4 m時，間距的增大可以明顯降低土壤的初末平均溫差，而當(dāng)間距大于5 m時，隨著間距的增大，土壤初末平均溫差的降幅較小.因此看出，在不考慮間歇運行的條件下，鉆井間距應(yīng)取4～5 m，這樣能有效的降低夏季土壤源熱泵系統(tǒng)對土壤平均溫度的影響，同時也能夠最大程度的節(jié)約埋管占用的場地面積.

時間/h

3.3 回填材料導(dǎo)熱系數(shù)對土壤平均溫度的影響

已有學(xué)者通過實驗發(fā)現(xiàn)，回填材料對于埋管傳熱性能有很重要的影響.通常，填料中水分越多, 導(dǎo)熱系數(shù)越高, 埋管傳熱性能越好, 因此國外有些地源熱泵工程, 為了增加填料中的水分, 在鉆井端部加一塑料滴水管, 間斷地向填料中加一些水, 以增強其傳熱性能[10].常用回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)范圍在1.334～2.268 W/(m·K)之間[8]，下面將在保證鉆井深度為100 m、鉆井間距為4 m及鉆井?dāng)?shù)量為4口的前提下進行模擬試驗.

由圖5可以看出，對于任意一種回填材料，土壤平均溫度隨時間呈正比例上升趨勢.隨著回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，土壤平均溫度曲線的斜率將逐漸減小，土壤初末平均溫差逐漸減小.當(dāng)回填材料導(dǎo)熱系數(shù)等幅下降時，土壤初末平均溫差的降幅逐漸減小.同時,當(dāng)回填材料導(dǎo)熱系數(shù)小于1.7 W/(m·K)時，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大，土壤平均溫度的降幅很明顯，但當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)從2.1 W/(m·K)增大到2.3 W/(m·K)時，土壤初末平均溫差從1.12 ℃下降到1.02 ℃，土壤初末平均溫差的降幅幾乎不變.因此，可以看出當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)在1.7～2.1 W/(m·K)之間時，既能夠有效地緩解土壤平均溫度的溫升，又能夠兼顧回填材料的成本.

時間/h

3.4 鉆井?dāng)?shù)量對土壤平均溫度的影響

鉆井?dāng)?shù)量的改變意味著地埋管在水平方向上得到延伸，它與鉆井深度變化的相同點是：土壤的體積都得到增加；不同點則是：鉆井?dāng)?shù)量的增加使土壤體積在水平方向上得到增加，鉆井深度的增加使土壤體積在垂直方向上得到增加.下面在保證鉆井深度為100 m、鉆井間距為4 m及回填材料為砂石的前提下進行模擬試驗.

由圖6可以看出，在任何情況下，土壤平均溫度與時間都呈正比例關(guān)系.當(dāng)其他影響因素都不變的情況下，鉆井?dāng)?shù)量的增加將減小土壤初末平均溫差，這是因為鉆孔數(shù)量的增加會增大用來儲存熱量的土壤體積，從而降低了土壤的平均溫度，但鉆井?dāng)?shù)量增加時，埋管所占用的場地面積將會顯著增加.因此，在實際工程中，應(yīng)該在規(guī)定的場地面積范圍內(nèi)，盡可能增加鉆井?dāng)?shù)量，有助于緩解夏季土壤源熱泵系統(tǒng)對土壤平均溫度的影響.

時間/h

4 不同因素對土壤平均溫度影響程度

以上試驗結(jié)果表明：鉆井深度、鉆井間距、回填材料導(dǎo)熱系數(shù)和鉆井?dāng)?shù)量對埋管周圍土壤平均溫度有不同程度的影響，為了更加科學(xué)、合理地分析這些因素對土壤平均溫度的影響程度，下面采用正交試驗設(shè)計方法來解決這個問題.

本文所討論的因素有4個，且每個因素都設(shè)定為3水平.即：鉆井深度的3水平為60 m，80 m和100 m；鉆井間距的3水平為4 m，5 m和6 m；回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的3水平為1.7 W/(m·K)，1.9 W/(m·K)和2.1 W/(m·K)；鉆井?dāng)?shù)量的3個水平為5個，6個和7個.在正交試驗設(shè)計中，不考慮3個因素的交互作用.因此選擇L9(34)型正交表，試驗指標(biāo)為該模型在夏季連續(xù)運行5 d后，土壤的初末平均溫差.

通過表2可以看出，對土壤平均溫度影響最為顯著的因素是鉆井間距，其次是鉆井深度、鉆井?dāng)?shù)量和回填材料導(dǎo)熱系數(shù).其中，鉆井間距的影響程度明顯大于其他3個因素，因此，為了降低夏季土壤源熱泵系統(tǒng)對

表2 正交試驗結(jié)果

土壤平均溫度的影響，應(yīng)該在地埋管設(shè)計過程中首先考慮加大鉆井的間距，當(dāng)鉆井間距受場地限制不能增大時，則應(yīng)考慮增加鉆井深度等措施，這樣才能保證土壤源熱泵系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定、高效地運行.

5 結(jié) 論

在夏熱冬冷地區(qū)，對于建筑冷負(fù)荷大于熱負(fù)荷的建筑，若由土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)全部的建筑負(fù)荷，則會導(dǎo)致土壤源熱泵系統(tǒng)在逐年運行過程中，土壤的溫度會逐漸升高，導(dǎo)致系統(tǒng)效率逐漸下降，為了提高系統(tǒng)的效率，本文重點研究了夏季影響埋管周圍土壤平均溫度的因素.通過利用TRNSYS建立了雙U型垂直埋管換熱器的仿真模型，并通過實驗驗證了該模型的準(zhǔn)確性，接著利用該模型模擬了系統(tǒng)夏季連續(xù)運行5 d后，各因素對土壤平均溫度的影響情況，最后采用正交試驗設(shè)計方法，分析了各因素的影響程度，得到如下結(jié)論：

1)通過將實測數(shù)據(jù)與模型模擬出的數(shù)據(jù)進行對比，證明該模型與埋管實際運行工況相符，可以用于模擬研究．

2)在系統(tǒng)連續(xù)運行5 d、總的設(shè)計負(fù)荷保持不變的條件下，埋管周圍土壤平均溫度與時間成正比例關(guān)系.鉆井深度、鉆井間距、回填材料導(dǎo)熱系數(shù)及鉆井?dāng)?shù)量與土壤平均溫度的初末溫差都成反比關(guān)系，即當(dāng)以上影響因素的值增大時，土壤平均溫度的初末溫差將減小，并且當(dāng)這些因素等幅度增大時，土壤平均溫差的下降幅度將越來越小.通過模擬發(fā)現(xiàn)，如果考慮系統(tǒng)的投資成本，且不考慮系統(tǒng)的間歇運行情況，鉆井最佳間距為4～5 m，回填材料的最佳導(dǎo)熱系數(shù)為1.7～2.1 W/(m·K)，鉆井最佳深度為60～100 m.

3)本文所研究的4個因素對土壤平均溫度影響程度由強至弱分別為：鉆井間距、鉆井深度、鉆井?dāng)?shù)量和回填材料導(dǎo)熱系數(shù).因此，在工程實踐中，應(yīng)優(yōu)先考慮增大鉆井間距，雖然增大回填材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法作用程度最小，但是易于實施，不受埋管面積、投資成本的限制.

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