基于Fluent/Matlab地下水逆流流速對熱泵的影響*

安笑媛

(1.長春建筑學院城建學院 長春 130607； 2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室 長春 130022)

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節(jié)能減排與綜合利用

基于Fluent/Matlab地下水逆流流速對熱泵的影響*

安笑媛1，2

(1.長春建筑學院城建學院 長春 130607； 2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室 長春 130022)

通過建立Fluent/Matlab協(xié)同仿真模型，可以動態(tài)模擬地下水源熱泵運行特性，為擬建工程提供理論參考。通過模擬計算得知，地下水橫流為逆流有助于抑制地下含水層的熱貫通，隨著逆流流速的不斷增大，抽灌井群發(fā)生熱貫通的時間不斷延長。逆流流速越大，抽水溫度波動幅度越小，機組的COP(EER)值及系統(tǒng)能效越趨于穩(wěn)定。當?shù)叵滤媪髁魉偬幱谳^大流速時，回灌水對抽水井不產(chǎn)生任何影響，抽水溫度維持地下水初始溫度不變，機組的COP(EER)值及系統(tǒng)能效比均不發(fā)生變化。

Fluent/Matlab 逆流 流速 熱泵性能

0 引言

地下水源熱泵系統(tǒng)作為現(xiàn)代社會一種新型的同時能起到較好節(jié)能環(huán)保效果的空調(diào)系統(tǒng)，由于地下水溫度波動范圍較小，接近恒定，可利用制冷劑蒸發(fā)吸熱使得從地下含水層中“取”出來低品位能量變?yōu)楦咂肺荒芰縼磉_到冬季時對建筑物供暖的目的，把溫度較低的地下水通過回灌井重新灌回到地下含水層中；將制冷劑蒸發(fā)吸收的建筑物內(nèi)的余熱通過冷凝器轉(zhuǎn)移到地下水中從而達到夏季時對建筑物制冷的目的[1]。

根據(jù)目前研究結(jié)果分析可知，地下水源熱泵系統(tǒng)性能參數(shù)主要受不同地下水流向、地下水流速等影響[2-4]。地下含水層自然流動方向沿著抽水井群指向回灌井群的水流方式稱為地下水逆流。本文主要在地下水流向一定的前提條件下，分別選取了無流速態(tài)(v=0 m/s)、較低流速態(tài)(v=3.1×10-6m/s)和較高流速態(tài)(v=6.3×10-6m/s)3種典型地下水流速來研究逆流流速對熱泵性能參數(shù)的影響。

Fluent流體力學軟件可利用計算機，運用近代流體力學與數(shù)值方法對流體的各類問題進行數(shù)值計算、模擬和分析，替代耗資巨大的流體力學實驗[5]。利用Matlab軟件，根據(jù)熱泵機組傳熱機理及熱力特征表征，可對熱泵機組進行建模仿真。本文結(jié)合構(gòu)建Fluent/Matlab協(xié)同仿真模型，能夠更好地利用Fluent，Matlab軟件的優(yōu)勢，通過仿真模擬更加真實地反映逆流態(tài)下不同地下水流速對熱泵機組性能參數(shù)的影響，為實際工程中利用地下水能量的前期設(shè)計提供理論參考。

1 數(shù)學模型的建立

地下水微分方程為：

(1)

對應此時刻各點的溫度值：

(2)

式中，Ω為計算區(qū)域；t∞為半徑方向無窮遠處的溫度，℃；t(x,y)為某點用于計算熱傳導的初始溫度；Γ為計算區(qū)域的邊界。

根據(jù)熱泵機組熱平衡原理[6]，可利用熱泵實驗性能曲線和性能參數(shù)建立數(shù)學模型。

2 數(shù)值模擬

本文按照實際物理模型，采用ICEM軟件建立幾何模型。具體參數(shù)如如所表1所示。

表1 模型計算共性條件

速度邊界為各井壁出入口邊界，采用等流量均勻抽灌，流入含水層的回灌水為正，抽出為負。水文地質(zhì)條件參照東北地區(qū)進行選取，巖土含水層基本物性參數(shù)根據(jù)第四紀的粗砂、沙礫和圓礫層進行設(shè)定，其參數(shù)如表2所示[7]。

表2 巖土含水層物性參數(shù)

本文采用的是以網(wǎng)格單元的二維、單精度、非穩(wěn)態(tài)分離解算器為基礎(chǔ)對多孔介質(zhì)模型進行含水層水熱耦合傳熱模擬，算法采用耦合隱式求解，在求解過程中采用迭代法，每個時間步最多迭代次數(shù)選為20次，以一階迎風格式作為迭代離散格式。根據(jù)不同步長試算分析，確定時間步長為14 400 s(即4 h)，采暖期求解步數(shù)為1 008步即168 d，制冷期為372步(即62 d)。

3 Matlab與Fluent協(xié)調(diào)仿真模型建立

協(xié)同循環(huán)仿真具體流程如圖1所示。圖中左半部分是計算地下水源熱泵的地上側(cè)，通過Matlab軟件可以對熱泵機組的輸出功率、冷凝器出口流體溫度(夏季為蒸發(fā)器)、水泵及風機耗功進行動態(tài)計算[5]，從而可以得出系統(tǒng)的COP等性能參數(shù)值。右半部分是通過Fluent軟件對部分的地下水源熱泵抽灌井群進行模擬計算，可以得出地下含水層溫度場的變化[8]。將兩個軟件的數(shù)據(jù)進行互遞，便可得到圖中中間位置的數(shù)據(jù)共享部分，從而形成了地上與地下的閉環(huán)耦合模擬。因此，利用此模型可對地下水源熱泵運行特性進行動態(tài)模擬[9]。

圖1 協(xié)同循環(huán)仿真流程圖

4 仿真結(jié)果分析

4.1 抽水溫度

圖2為逆流模式下抽水溫度隨不同地下水橫流流速變化的曲線圖。

由圖可知，地下水橫流流速和抽水溫度的波動幅度成反比。當?shù)叵滤魉賤=6.3×10-6m/s時，抽水溫度不發(fā)生變化，即維持地下水的初始溫度285 K不變。當?shù)叵滤畽M流流速v=3.1×10-6m/s時，抽水溫度比較恒定。當?shù)叵滤畽M流流速v=0 m/s時(即忽略地下水橫流流速)，地下水周期波動幅度最大，抽水溫度呈周期波動下降趨勢。由此可知，對于地下水橫流呈現(xiàn)逆流時，地下水橫流流速與抽水溫度波動幅度成反比，當?shù)叵滤畽M流流速一定，抽水溫度一直保持和地下水初始溫度相同。

圖2 地下水不同流速下抽水平均溫度變化(逆流)

圖3為抽水溫度在逆流模式下隨不同地下水流速年平均變化曲線圖。

(a)供熱期

(b)制冷期

由圖可以看出，當?shù)叵滤畽M流流速v=0 m/s時，抽水溫度在供熱周期及制冷周期下降幅度都較大，近乎直線下降。地下水橫流流速v=6.3×10-6m/s時，供熱與制冷期抽水年平均溫度未發(fā)生變化，維持地下水流初始溫度。當?shù)叵滤媪髁魉賤=3.1×10-6m/s時，抽水溫度在系統(tǒng)運行的第二個周期后開始下降，但下降幅度非常小，系統(tǒng)發(fā)生熱貫通后每年抽水平均溫度幾乎維持一個定值，每個運行周期抽水溫度在系統(tǒng)發(fā)生熱貫通后保持同一的變化規(guī)律。

4.2 能效比

圖4與圖5為逆流模式不同地下水流速度時水源地能利用熱泵系統(tǒng)運行期間機組的COP(EER)值及系統(tǒng)能效比。圖中柱狀圖表征機組COP(EER)變化，散點圖表征系統(tǒng)能效比變化。

圖4 不同流速機組COP及系統(tǒng)能效比(逆流)

圖5 不同流速機組EER及系統(tǒng)能效比(逆流)

由圖4可知，供熱周期內(nèi)，地下水流速度v=0 m/s時，隨著系統(tǒng)運行時間的延長，熱泵機組COP及系統(tǒng)能效比值迅速下降。地下水逆流速度v=3.1×10-6m/s時，第二個運行周期機組的COP值及系統(tǒng)的能效比與第一個運行周期相比稍有下降，但自第二個運行周期后，機組COP值及系統(tǒng)能效比恒定不變。當?shù)叵滤媪髁魉賤=6.3×10-6m/s時，機組COP值及系統(tǒng)的能效比在系統(tǒng)運行周期內(nèi)保持不變。

由圖5可知，制冷周期內(nèi)，當?shù)叵滤魉俣葀=0 m/s時，隨著系統(tǒng)運行時間的延長，機組EER值及系統(tǒng)能效比呈上升趨勢。隨著地下水逆流流速的增大，機組的EER值及系統(tǒng)能效比趨于穩(wěn)定，地下水逆流速度v=3.1×10-6m/s時，機組的EER值及系統(tǒng)能效比變化不明顯。地下水逆流流速v=6.3×10-6m/s時，機組的EER及系統(tǒng)能效比值均不發(fā)生變化。由此可知，系統(tǒng)運行特性在地下水為逆流時會隨地下水自然流動速度的增大而趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)語

(1)通過建立Fluent/Matlab協(xié)同仿真模型，將房間負荷受室外溫度變化的影響動態(tài)地疊加到地下管群上，地下含水層溫度場的變化耦合至地上熱泵系統(tǒng)中，動態(tài)地分析出水源熱泵對地下溫度場、熱貫通程度及熱泵機組COP等特性參數(shù)在逆流時受不同流速影響而發(fā)生的變化，可為擬建工程提供理論參考。

(2)地下水橫流為逆流時，對于抑制系統(tǒng)的熱貫通有幫助作用，地下水逆流流速與抽水井抽水溫度波動幅度成反比，抽水溫度在地下水橫流流速不變時會和地下水初始溫度保持一致。

(3)逆流流速越大，機組的COP(EER)值及系統(tǒng)能效比越趨于穩(wěn)定，當?shù)叵滤畽M流流速達到較高流速時，機組的COP(EER)值及系統(tǒng)能效比均不發(fā)生變化。

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The Influence of the Groundwater Flow Rate in Upstream Flow on the Groundwater Heat Pump Based on Fluent/Matlab

AN Xiaoyuan1,2

(1.CollegeofUrbanConstruction,ChangchunArchitectureandCivilEngineeringInstituteChangchun130607)

In this paper the performance of groundwater heat pump is dynamically simulated by establishing Fluent/Matlab co-simulation model, which can be served as theoretical

for proposed project. Simulation indicates that the countercurrent helps suppress the heat transfixion of ground aquifer and with the increase of the countercurrent flow rate, time of heat transfixion will be extended. The greater the velocity of countercurrent, the less the pump temperature fluctuates and the more stable the COP (EER) and the energy efficiency is. The pumping will not be affected by back irrigation with large velocity of counter current, the pumping temperature will stay at the initial temperature of groundwater and so the COP (EER) and energy efficiency rate will all not be changed.

Fluent/Matlab upstream flow velocity of flow heat pump performance

國家自然科學基金(51376080)。

安笑媛，女，1984年生，講師，碩士研究生，研究方向為可再生能源高效利用與傳熱強化。

2016-04-07)