基于 Fluent／M atlab的地下水流速對(duì)交叉流模式熱泵性能的影響分析*

張淑秘白莉王曉陽(yáng)

（1.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院 長(zhǎng)春130118；2.吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)春130022）

基于 Fluent／M atlab的地下水流速對(duì)交叉流模式熱泵性能的影響分析*

張淑秘1白莉1王曉陽(yáng)2

（1.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院 長(zhǎng)春130118；2.吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)春130022）

為了分析地下水源熱泵系統(tǒng)地下水交叉流對(duì)系統(tǒng)性能參數(shù)的影響，基于Fluent／Matlab搭建了協(xié)同仿真平臺(tái)，對(duì)多年運(yùn)行的地下水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。通過(guò)分析可知，當(dāng)?shù)叵滤魉佥^高時(shí)，年平均抽水溫度保持含水層的初始溫度不變 ，機(jī)組COP（EER）及系統(tǒng)能效比在運(yùn)行周期內(nèi)保持不變；地下水流速越大 ，熱泵系統(tǒng)抽水溫度越趨于穩(wěn)定，地下水冷水鋒面越遠(yuǎn)離抽水井向水流下游偏移，抽水井附近含水層溫度場(chǎng)越穩(wěn)定，機(jī)組COP及系統(tǒng)能效比值越高，于維持系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行越有利。

Fluent／Matlab 交叉流 流速 熱泵性能

0 引言

地下水源熱泵系統(tǒng)根據(jù)地下含水層中水溫比較恒定的特點(diǎn) ，冬季從地下含水層中將低品位的能量“取”出來(lái)，對(duì)建筑物進(jìn)行供暖后，通過(guò)回灌井重新回灌至地下含水層中；夏季將建筑物內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移至地下含水層中達(dá)到制冷的目的［1］。地下水流向、流速不同對(duì)熱泵機(jī)組性能參數(shù)的影響也不同［2－4］。以地下水交叉流為前提，分析不同流態(tài)對(duì)熱泵機(jī)性能參數(shù)的影響及地下含水層熱運(yùn)移的變化規(guī)律，為擬建工程提供理論指導(dǎo)。抽灌水井群的連線(xiàn)方向與地下含水層自然流向相垂直的水流方式稱(chēng)為地下水交叉流。本文對(duì)地下水流速分別選取0m／s（即忽略地下水流動(dòng)）、v＝3.1×10－6m／s的較低流速態(tài)與v＝6.3×10－6m／s的較高流速態(tài)3種典型情況進(jìn)行對(duì)比分析。

地下水源熱泵系統(tǒng)用能過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程 ，單獨(dú)的三維計(jì)算不能依據(jù)地上系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化賦予三維模型變化歷程中的邊界條件，現(xiàn)結(jié)合Fluent與Matlab軟件專(zhuān)長(zhǎng)［5］，將地下三維數(shù)值模塊與地上一維計(jì)算有機(jī)地關(guān)聯(lián)在一起，通過(guò)一維計(jì)算進(jìn)行三維仿真的上位控制，進(jìn)而對(duì)各熱力系統(tǒng)的熱力特性和能量特性進(jìn)行數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)，建立地能利用系統(tǒng)集成分析數(shù)值計(jì)算方法 ，形成地下源端與地上端模塊閉環(huán)耦合計(jì)算，仿真計(jì)算結(jié)果更貼近系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行模式 ，更直觀(guān)地反映出不同流態(tài)下熱泵機(jī)組性能參數(shù)的變化，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理。

1 熱泵機(jī)組數(shù)學(xué)模型的建立

將機(jī)組組成部件看成一個(gè)整體，在熱泵機(jī)組熱平衡原理［6］的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)組性能曲線(xiàn)和性能參數(shù)建立熱泵機(jī)組供熱、制冷擬合方程，根據(jù)擬合方程建立熱泵機(jī)組仿真模型。

（1）熱泵機(jī)組供熱工況：

式中，qex為熱泵機(jī)組吸熱量，W；ah，bh，ch，dh，eh，fh為熱泵機(jī)組供熱性能參數(shù)；qhe為建筑物熱負(fù)荷，W；P1為熱泵機(jī)組輸入功率，W；ten為熱泵蒸發(fā)器進(jìn)口流體溫度，℃。

（2）熱泵機(jī)組制冷工況：

式中，qco為建筑物冷負(fù)荷，W；qre為熱泵機(jī)組放熱量，W；ac，bc，cc，dc，ec，fc為熱泵機(jī)組制冷性能參數(shù)。

2 數(shù)值模擬

按照實(shí)際物理模型建立幾何模型 ，同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)網(wǎng)格的獨(dú)立型和收斂一致性進(jìn)行了模型驗(yàn)證。抽灌水井群采用單列順排對(duì)置式［7］進(jìn)行布置，地下水初始溫度285 K，抽灌井?dāng)?shù)目為2口抽水井、2口回灌井，井徑為0.6m，計(jì)算域?yàn)?00m×500 m，同類(lèi)井間距為40m，抽灌井間距150m。抽水井與回灌井采用相同結(jié)構(gòu) ，均為承壓井。忽略含水層水位變化與地下水橫流帶來(lái)的影響，假定單井涌水量豐富，單井抽灌量取50m3／h。

按第四紀(jì)的沙礫、粗砂和圓礫層設(shè)定地下巖土含水層基本物性參數(shù) ，經(jīng)計(jì)算含水層孔隙度為0.3，地下水導(dǎo)熱系數(shù)為0.6W／（m·K），地下水比熱為4 182 J／（kg·K），地下水密度為998.2 kg／m3，含水層導(dǎo)熱系數(shù)為2.2W／（m·K），含水層密度為1 900 kg／m3，含水層比熱為700 J／（kg·K）。

進(jìn)行多孔介質(zhì)地下含水層水熱耦合傳熱模擬時(shí)，以Fluent為平臺(tái)，算法采用耦合隱式；通過(guò)不同步長(zhǎng)試算分析 ，最終選取14 400 s（即4 h）為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)；采用迭代法求解，求解過(guò)程中選用一階迎風(fēng)作為迭代離散格式；迭代次數(shù)選擇時(shí)每個(gè)時(shí)間步最多迭代20次；以東北地區(qū)某市為例，采暖期根據(jù)規(guī)定為168 d，即求解步數(shù)按1 008步進(jìn)行迭代計(jì)算，制冷期由于沒(méi)有明確規(guī)定，本文設(shè)定為62 d，即求解步數(shù)按372步進(jìn)行迭代計(jì)算；地下溫度場(chǎng)等溫線(xiàn)可視化時(shí)采用CFD專(zhuān)用軟件Tecplot進(jìn)行后處理。

3 搭建Matlab／Fluent協(xié)調(diào)仿真平臺(tái)

由于Matlab，F(xiàn)luent需要為彼此提供數(shù)據(jù)輸入 ，因此兩軟件數(shù)據(jù)交換時(shí)按照并行協(xié)同仿真模式進(jìn)行［8］。抽灌井群的數(shù)值模擬采用Fluent軟件進(jìn)行仿真計(jì)算 ，可算出因回灌水溫度的動(dòng)態(tài)變化引起含水層溫度場(chǎng)的演變。地下水源熱泵系統(tǒng)地上側(cè)的仿真模擬 ，通過(guò)Matlab一維仿真可以計(jì)算出熱泵機(jī)組蒸發(fā)器出水溫度、水泵風(fēng)機(jī)耗功及機(jī)組輸出功率等的時(shí)間變化，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)性能參數(shù)的演變。Matlab，F(xiàn)luent可從地上一維、地下三維的數(shù)據(jù)共享部分交替提取數(shù)據(jù)，完成了地上、地下側(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互遞，形成了熱泵系統(tǒng)完整的閉環(huán)耦合模擬計(jì)算 ，最終搭建了地下水源熱泵系統(tǒng)Matlab／Fluent協(xié)調(diào)仿真平臺(tái)。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 抽水溫度

圖1為不同流速下交叉流熱泵機(jī)組抽水溫度變化曲線(xiàn)圖，由圖可知，當(dāng)忽略地下水自然流動(dòng)時(shí)，抽水溫度呈周期波動(dòng)下降趨勢(shì)，系統(tǒng)運(yùn)行至第5個(gè)周期時(shí)，抽水溫度已經(jīng)下降至283.2 K左右。隨著地下水自然流速的不斷增大，抽水溫度波動(dòng)幅度減緩，當(dāng)?shù)叵滤魈幱谳^低流速時(shí)，在全部運(yùn)行周期內(nèi)，抽水溫度變化幅度較小，整體趨于穩(wěn)定。隨著地下水橫流流速的不斷增大，當(dāng)交叉流處于較高流速態(tài)時(shí)，抽水溫度在5個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)發(fā)生極微弱的變化。由此可見(jiàn)，對(duì)于交叉流，地下水流速越大，地下水源熱泵系統(tǒng)抽水溫度越趨于恒定，對(duì)于維持系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行越有利。

圖1 交叉流抽水平均溫度變化

4.2 地下溫度場(chǎng)變移

圖2為不同地下流速的交叉流，在不同采暖周期結(jié)束時(shí)地下含水層溫度場(chǎng)等值線(xiàn)圖。從圖中可以看出，當(dāng)忽略地下水自然流動(dòng)時(shí)，第1采暖期結(jié)束時(shí)抽水井未受到回灌行為的影響，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，回灌行為開(kāi)始影響抽水井，第3采暖周期結(jié)束時(shí)，抽灌水井群已發(fā)生嚴(yán)重的熱貫通。當(dāng)?shù)叵滤畽M流處于較低流速態(tài)時(shí) ，在系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)，只有1口抽水井受回灌行為的影響。當(dāng)?shù)叵滤畽M流處于較高流速態(tài)時(shí) ，抽水井在運(yùn)行周期內(nèi)未受到回灌行為的影響，抽水溫度維持地下含水層的初始溫度。同時(shí)地下水流速越大，回灌行為產(chǎn)生的冷水鋒面偏離抽水井距離越遠(yuǎn)。

由此可見(jiàn)，對(duì)于地下含水層為交叉流的熱泵系統(tǒng)，地下含水層流速越大，回灌行為引起的冷水鋒面越遠(yuǎn)離抽水井，越沿著交叉流向水流下游移動(dòng)，抽水井井群區(qū)域受到回灌行為的影響越小，抽水井附近含水層溫度場(chǎng)越穩(wěn)定。

圖2 叉流地下含水層溫度場(chǎng)分布

4.3 能效比

為了分析不同流速對(duì)熱泵機(jī)組COP（EER）及系統(tǒng)能效比的影響，根據(jù)協(xié)同循環(huán)仿真計(jì)算方法得出的數(shù)據(jù)繪制供熱周期及制冷周期內(nèi)熱泵機(jī)組性能參數(shù)變化，如圖3及圖4所示，圖中柱狀圖表征機(jī)組COP變化，折線(xiàn)圖表征系統(tǒng)能效比。由圖3可以看出，在供熱周期內(nèi)，地下水流速較高時(shí)，對(duì)于交叉流熱泵機(jī)組COP值及系統(tǒng)能效比均最高，且在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)保持不變。當(dāng)?shù)叵滤魉佥^低時(shí)，機(jī)組COP值及系統(tǒng)能效比值較高流速態(tài)時(shí)稍有下降，但下降幅度較小。當(dāng)忽略地下水橫流時(shí)，機(jī)組的COP值及系統(tǒng)的能效比均最小，且隨著運(yùn)行周期的延長(zhǎng)不斷降低。

由圖4可知，地下水自然流動(dòng)為交叉流時(shí)，當(dāng)忽略地下水橫流時(shí)，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，熱泵機(jī)組的EER及系統(tǒng)的能效比均不斷增大。當(dāng)?shù)叵滤匀涣魉佥^低時(shí)，機(jī)組的EER值及系統(tǒng)的能效比均發(fā)生微小變化。當(dāng)?shù)叵滤魉佥^高時(shí)，在系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)，熱泵機(jī)組的EER值及系統(tǒng)的能效比維持恒定值不變。

圖3 交叉流機(jī)組COP 及系統(tǒng)能效比

圖4 交叉流機(jī)組EER及系統(tǒng)能效比

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于地下含水層為交叉流的熱泵系統(tǒng)，地下水流速越大，系統(tǒng)抽水溫度越趨于恒定，對(duì)于維持系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行越有利；當(dāng)?shù)叵滤幱谳^低流速態(tài)時(shí)，供熱周期及制冷周期內(nèi)抽水溫度稍有下降。

（2）地下含水層流速越大 ，回灌行為引起的冷水鋒面越遠(yuǎn)離抽水井，越沿著交叉流向水流下游移動(dòng)，抽水井井群區(qū)域受到回灌行為的影響越小，抽水井附近含水層溫度場(chǎng)越穩(wěn)定。

（3）地下水流速越大，機(jī)組COP及系統(tǒng)能效比值越高，當(dāng)交叉流處于較高流速態(tài)時(shí)，機(jī)組COP（EER）及系統(tǒng)能效比在運(yùn)行周期內(nèi)保持不變。

［1］周學(xué)志.抽灌水井群地下水運(yùn)移能量傳輸及其傳熱研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

［2］叢曉春，楊文斐.地下承壓含水層水－熱運(yùn)移特性的模擬研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008，29（11）：1390－1394.

［3］王大純，張人權(quán)，史毅虹 ，等 .水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：地質(zhì)出版社 ，1995.

［4］周彥章，陳耿.含水介質(zhì)地下水熱量運(yùn)移研究綜述［J］.黑龍江水專(zhuān)學(xué)報(bào)，2008，35（2）：125－126.

［5］謝海濱，張代兵 ，沈林成.基于MATLAB／SIMULINK與FLUENT的協(xié)同仿真方法研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19（8），1824－1827.

［6］SPITLER JD.GLHEPRO－A design tool for commercial building ground loop heat exchangers［C］.Proceedings of the Fourth International Heat Pumps in Cold Climates Conference.Aylmer，2000.

［7］陳響亮.抽灌井群熱交互性及其布控特性研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

［8］賀明艷.質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)態(tài)模擬仿真［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

Influences of the Groundwater Flow Rate in Cross Flow on the Groundwater Heat Pump Based on Fluent／Matlab

ZHANG Shumi1BAILi1WANG Xiaoyang2
（1.School ofMunicipal and Environmental Engineering，Jilin Jianzhu UniversityChangchun130118）

To analyze theeffectof groundwater sourceheat pump system for cross－flow of groundwater system performance parameters，this article is based on Fluent／Matlab to build the collaborative simulation platform，the underground water source heat pump system for years running carried on the simulation calculation.Through the dataanalysis：Thegroundwater source heatpump flowsunder thegroundwater cross flow，the differentgroundwater flow rate differently affects theheatpump system performance parameters.The larger flow velocity is，themore stable the pumping system temperature is and themore favorable the long－term stable operation system is.When the groundwater flow rate is in a high velocity state，the annual average pumpingwater temperature keeps the aquifer initial temperature constantand theunitCOP（EER）and system energy efficiency remains unchanged in theoperation cycle.Thegreater thegroundwater flow rate is，thegreater the cold front is far away from the pumpingwell to thewater downstreammigration，themore stable pumpingwellsnear the aquifer temperature field is and the higher the unitCOPand system energy efficiency ratio is.

Fluent／Matlab cross flow flow velocity heat pump performance

張淑秘，女，1980年生，副教授，博士，研究方向?yàn)榈責(zé)崮芾眉捌鋫鳠帷?/p>

2015－11－20）

國(guó)家自然科學(xué)基金（51376080）。