低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行土壤溫度場特性研究★

王松慶 李昳瞳

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

目前，節(jié)能減排和保護(hù)環(huán)境是關(guān)系到我國發(fā)展的兩大課題。地源熱泵作為新的可再生能源，也在我國有了越來越多的發(fā)展和應(yīng)用。但在我國北方地區(qū)，由于地源熱泵的應(yīng)用存在兩個(gè)原因的限制：1)土壤全年蓄熱釋熱總量嚴(yán)重不平衡。夏季蓄熱量遠(yuǎn)小于冬季取熱量，土壤缺乏足夠的熱量補(bǔ)充；2)土壤初始溫度低，影響地源熱泵系統(tǒng)制熱工況時(shí)的運(yùn)行效率[1,2]。使得在該地區(qū)應(yīng)用地源熱泵技術(shù)時(shí)需要考慮增加輔助熱源用以蓄熱或供熱，目前輔助熱源多選擇為太陽能、空氣能等，而關(guān)于利用低溫余熱進(jìn)行蓄熱的思路也于近年提出[3]。陳紅兵等建立數(shù)學(xué)模型，分析土壤在高溫蓄熱下濕遷移對地下土壤溫濕度場的影響[4]，但沒有分析利用低溫余熱進(jìn)行蓄熱時(shí)土壤溫度場的變化，模型也較為簡化。武廷方等采用有限差分的思想，建立了離散方程并進(jìn)行數(shù)值求解[5]，但計(jì)算量過大無法得出整片地源熱泵土壤的溫度場變化。根據(jù)有限差分法，唐志偉等建立了三維數(shù)值模型，并用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[6]，為模擬提供了一種新思路。侯靜等運(yùn)用專業(yè)軟件模擬了地源熱泵運(yùn)行一個(gè)季度的溫度場變化[7]，但運(yùn)行時(shí)間較短，也沒有考慮熱平衡等問題。胡平放等運(yùn)用數(shù)值分析，探究了土壤、回填材料的導(dǎo)熱性能，埋管間距等因素對換熱器性能的影響[8]，為本文在建模時(shí)提供了參考，但在建模時(shí)僅建了單根地埋管進(jìn)行研究，沒有對整片土壤的熱濕遷移進(jìn)行分析。目前我國低溫余熱大部分未被充分利用，而且由于工藝過程中存在周期性、間斷性或生產(chǎn)波動(dòng)，余熱具有不穩(wěn)定性[9,10]，如果直接從余熱中提取熱量后用于建筑物采暖和空調(diào)，則無法保證建筑物采暖和空調(diào)的可靠運(yùn)行。王文君將余熱和空氣源熱泵結(jié)合起來，通過理論計(jì)算得到在-10 ℃時(shí)，制熱COP為4.87，相比普通空氣源熱泵有所提高[11]，說明余熱具有利用價(jià)值。因此，為了解決上述兩個(gè)原因的限制，本文將地源熱泵與低溫余熱相結(jié)合，構(gòu)建低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統(tǒng)，布置低溫余熱蓄熱型地源熱泵埋管形式，并運(yùn)用數(shù)值分析的方法探究土壤溫度場的變化規(guī)律。

1 低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統(tǒng)構(gòu)建

地源熱泵技術(shù)可以充分有效利用低品位能源，提高能源品位。將地源熱泵技術(shù)與余熱利用技術(shù)有效結(jié)合起來，將低溫余熱通過地埋管換熱器將熱量有效存于土壤中，既可以有效解決地源熱泵土壤全年蓄釋熱總量不平衡的問題，又可以克服余熱不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，提高地源熱泵實(shí)際運(yùn)行效率及低溫余熱利用效率。這種利用地埋管換熱器將低溫余熱向地下土壤補(bǔ)熱以保證地源熱泵系統(tǒng)高效運(yùn)行的技術(shù)稱為低溫余熱蓄熱型地源熱泵技術(shù)，如圖1所示。由圖1可知，地埋管換熱器管群布置時(shí)分為內(nèi)外兩部分，外層地埋管接工業(yè)余熱端，利用低溫余熱對地埋管周圍土壤進(jìn)行蓄熱，內(nèi)層地埋管接熱泵機(jī)組，為用戶端的暖通空調(diào)系統(tǒng)提供能量。低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統(tǒng)需要根據(jù)工廠與用戶端的位置合理的選擇分配，選出最優(yōu)的余熱遠(yuǎn)距離輸送方案，并根據(jù)用戶端的溫度要求合理的利用輸送到末端的熱量。在選取工廠時(shí)需要考慮到該工廠的工藝特性以及余熱特性等，將工業(yè)余熱與用戶端的埋管換熱器有效的結(jié)合起來，這樣所構(gòu)建出來的系統(tǒng)即為低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統(tǒng)。

2 數(shù)值模型的建立

本文通過數(shù)值模擬來分析低溫余熱蓄熱型地源熱泵埋管周圍土壤的溫度場，選取北方地區(qū)的辦公樓，根據(jù)冬夏兩季設(shè)計(jì)總負(fù)荷得出需要的豎井總數(shù)共100口，每口井敷設(shè)一根U形管。由于地埋管的數(shù)量過多，在建模時(shí)為了控制網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率，可將地埋管簡化為柱熱源[12]，在二維模型中柱熱源則進(jìn)一步簡化為線熱源，并且整片土壤的上下左右均對稱，因此建模時(shí)取其1/4的部分即可，建立了圖2的二維傳熱模型。圖中把25口豎井設(shè)置成5×5的方陣來布置，左側(cè)和上側(cè)的埋管相當(dāng)于外層地埋管，共9根；其他埋管相當(dāng)于內(nèi)層地埋管，共16根。運(yùn)行時(shí)，外層地埋管在全年運(yùn)行下只通過利用低溫余熱來為土壤蓄熱；內(nèi)層地埋管冬夏兩季正常運(yùn)行，為用戶端的供暖空調(diào)系統(tǒng)提供所需能量，過渡季由于北方地區(qū)氣候適中，可停止運(yùn)行，盡可能減少對土壤溫度環(huán)境的改變。外層地埋管與土壤邊緣的間距6 m，地埋管兩管間的間距4 m，豎井的直徑300 mm。為了用圖表形式來體現(xiàn)熱濕遷移的變化，選取4個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控該點(diǎn)全年的溫濕度變化情況，圖2和表1顯示了監(jiān)控點(diǎn)的位置。

表1 監(jiān)控點(diǎn)的位置選取 m

3 理論計(jì)算模型

本文為了盡量接近實(shí)際，在探究熱遷移的同時(shí)也考慮了濕遷移，土壤的熱濕遷移是相互影響，相互作用的。土壤中水分的流動(dòng)遵循達(dá)西定律，本文在達(dá)西定律和質(zhì)量守恒方程的基礎(chǔ)上建立熱濕遷移模型，由于忽略了重力引起的熱濕遷移的影響，而且模型是對稱的，因此只需考慮土壤徑向的熱濕遷移問題。根據(jù)以溫度梯度和濕度梯度二者為驅(qū)動(dòng)力下的philip模型，土壤的濕遷移總方程為：

(1)

其中，ρl為水的密度；ψ為土水勢；θv為土壤體積含水率；Dθ，DT分別為等溫?cái)U(kuò)散系數(shù)、等濕擴(kuò)散系數(shù)。

在熱量遷移過程中土壤的相關(guān)參數(shù)都隨著熱量的遷移發(fā)生著相應(yīng)的變化，則由濕量遷移引起的熱量為：

(2)

其中，cl，ρl,θv分別為水的比熱容、水的密度、土壤體積含水率。

土壤微元體內(nèi)的能量方程為：

(3)

其中，ρ為土壤的密度；c為土壤的比熱容。

4 結(jié)果及分析

本文模擬了全年工況下該模型的運(yùn)行，并且假設(shè)內(nèi)外層地埋管的熱流密度在各個(gè)季節(jié)內(nèi)保持不變。模型中的物性參數(shù)如表2所示，土壤邊緣被認(rèn)為是無限遠(yuǎn)處，設(shè)置為定溫條件，保持在8 ℃，相對濕度為40%，運(yùn)行策略如表3，表4所示。在模擬同時(shí)監(jiān)控上文中的4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫濕度變化，并記錄下每月1號0時(shí)各點(diǎn)的溫濕度值。

表2 數(shù)值模型中的物性參數(shù)

表3 運(yùn)行策略的季節(jié)天數(shù)

表4 內(nèi)外埋管熱流密度邊界條件

各監(jiān)測點(diǎn)在該運(yùn)行策略下的溫度逐月變化情況如圖3所示。由圖3可知，運(yùn)行一年后，可以看出各點(diǎn)的變化趨勢基本一致，首先，由于初始的換熱量較大，土壤溫度會呈現(xiàn)上升的趨勢，隨著冬季的運(yùn)行，內(nèi)層埋管向土壤不斷取熱，會使土壤溫度降低，而且越靠近內(nèi)層埋管的土壤溫度降低越明顯；冬季運(yùn)行結(jié)束后，內(nèi)層埋管停止取熱，只有外層埋管利用低溫余熱對土壤進(jìn)行蓄熱，內(nèi)層埋管之間的土壤與外層埋管的溫差較大，會使熱量更容易傳遞，從而使土壤溫度升高；到了夏季內(nèi)層埋管則會為土壤蓄熱，從而為建筑物提供冷量，外層埋管繼續(xù)對土壤蓄熱，使土壤溫度進(jìn)一步呈現(xiàn)升高趨勢并達(dá)到峰值；秋季與春季同理，由于蓄熱量減少，土壤溫度則會呈下降趨勢；再次到達(dá)冬季時(shí)，土壤溫度也會進(jìn)一步下降。

由圖3可知，運(yùn)行一年后4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度較土壤初始溫度有高有低，運(yùn)行一年后得到土壤的平均溫度8.32 ℃，與初始溫度8 ℃相比只增加了0.32 ℃，相當(dāng)于初始溫度增加了4%，可以得到低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統(tǒng)不僅使土壤全年蓄釋熱總量基本達(dá)到平衡，并且也沒有使土壤的溫度降低，保證了地源熱泵的運(yùn)行效率。從監(jiān)測點(diǎn)1的溫度變化曲線可以看出，外層埋管外的土壤溫度變化趨勢并沒有十分明顯，監(jiān)測點(diǎn)1全年最高和最低溫度分別為8.27 ℃,8.09 ℃，監(jiān)測點(diǎn)1全年的溫度變化范圍不超過0.2 ℃，因此外層埋管以外的土壤溫度環(huán)境基本不受低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

各監(jiān)測點(diǎn)在該運(yùn)行策略下的濕度逐月變化情況如圖4所示。由圖4可知，運(yùn)行一年后，土壤的濕度是整體呈現(xiàn)下降趨勢的，外層埋管周圍土壤與邊界土壤的濕遷移較明顯，而越靠近管群內(nèi)的土壤濕遷移越少，到了整片土壤最中心處，即監(jiān)測點(diǎn)4的濕遷移基本處于平緩，相對濕度僅減少了0.3%，即便是管群外的土壤相對濕度減少了5.3%。土壤的平均相對濕度35.7%，與初始濕度相比減少了4.3%，因此，埋管周圍土壤并不會因?yàn)槔玫蜏赜酂嵝顭岫雇寥谰植砍霈F(xiàn)干涸甚至裂縫，進(jìn)而影響和改變與土壤之間的傳熱。

比較圖3和圖4可以得到，當(dāng)各點(diǎn)的溫度達(dá)到峰值時(shí)，濕度均未達(dá)到峰值，并且濕度的峰值是落后于溫度的，因此，土壤濕遷移相較于溫度遷移有一定的滯后性，這個(gè)現(xiàn)象符合了前人們得出的結(jié)論，從而驗(yàn)證了溫濕度的數(shù)據(jù)比較符合實(shí)際的運(yùn)行規(guī)律，所得出的結(jié)論也具有一定的參考價(jià)值。

5 結(jié)語

低溫余熱由于能源品位較低，穩(wěn)定性差，因而難以被回收利用。本文將低溫余熱與地源熱泵相結(jié)合，構(gòu)建了低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統(tǒng)，通過數(shù)值分析土壤溫度場的運(yùn)行特性，得到運(yùn)行一年后，土壤的溫濕度變化范圍都很小，不僅解決了北方地區(qū)土壤全年蓄釋熱總量嚴(yán)重不平衡的問題，而且保證了地源熱泵的運(yùn)行效率，也沒有過度的改變土壤的溫濕度變化范圍導(dǎo)致土壤環(huán)境或土壤中微生物等遭到破壞。因此，低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統(tǒng)在北方地區(qū)具有十分廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn):

[1] 白天嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管運(yùn)行特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2010.

[2] 孫海龍.嚴(yán)寒地區(qū)空氣熱源土壤蓄熱熱泵供暖系統(tǒng)可行性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011.

[3] 李麗梅.埋地?fù)Q熱器土壤內(nèi)熱濕遷移與地表能源特性研究[D].天津:天津大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[4] 陳紅兵,吳 瑋,張 磊,等.土壤高溫蓄熱過程中熱濕傳遞特性的數(shù)值研究[J].可再生能源,2015,33(9):1376-1380.

[5] 武廷方,李 丁,鹿凱凱,等.地源熱泵土壤熱濕遷移的數(shù)值模擬[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,36(6):68-74.

[6] 唐志偉,金 楠,閆桂蘭.地源熱泵地中換熱器的非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值研究[J].可再生能源,2008(1):55-58.

[7] 侯 靜,劉 穎,魏領(lǐng)帥,等.土壤源熱泵U型埋管換熱器三維非穩(wěn)態(tài)模擬研究[J].區(qū)域供熱,2012(2):52-56.

[8] 胡平放,康 龍,江章寧,等.地源熱泵U型埋管換熱影響因素的數(shù)值模擬與分析[J].流體機(jī)械,2009,37(3):64-68.

[9] 連紅奎,李 艷,束光陽子，等.我國工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述[J].節(jié)能技術(shù),201,29(2):123-128.

[10] 張 亮.回收工業(yè)余熱廢熱用于集中供熱的研究[D].濟(jì)南:山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[11] 王文君.利用余熱和太陽能的空氣源熱泵系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2015.

[12] Yian GU,Dennis L.O' Neal.Modeling the effect of backfills on U-tube ground coil performance[J].ASHRAE Transactions,1998,104(2):356-365.