地源熱泵土壤溫度場的模擬

侯靜

摘要：本文通過GAMBIT建立地源熱泵地埋管及周圍土壤的幾何模型，運用FLUENT進行三維非穩(wěn)態(tài)模型，通過模擬地源熱泵長期運行地埋管周圍土壤溫度場的變化情況，分析地源熱泵長期運行對土壤溫度場的影響，總結(jié)合理的井間距。

關(guān)鍵字 地埋管 非穩(wěn)態(tài)模擬 土壤溫度場

0 引言

地源熱泵是利用土壤或作為冷熱源，通過輸入少量電能，實現(xiàn)熱量由低溫熱源向高溫熱源的轉(zhuǎn)移;夏季將室內(nèi)多余熱量轉(zhuǎn)至地下，達到室內(nèi)降溫的目的，并向地下儲存熱量以備冬用;冬季從地下提取熱量向室內(nèi)供熱，并向地下儲存冷量，以備夏用。地源熱泵是一種無污染、環(huán)保、高效的熱泵。是未來熱泵發(fā)展的方向。

1模型的建立

利用FLUENT前處理軟件GAMBIT建立地下垂直U型地埋管幾何模型，本文研究不同地埋管模型，主要模型如下：

U型管管長100m，管內(nèi)徑為26mm，管厚3mm，兩管腳間距80mm;鉆井（填充層）模型是以兩管角中心為圓心的圓柱體，直徑為140mm，高為101m;土壤模型是與填充層圓心重合圓柱體，半徑為5m，高為105m。典型單井模型示意圖如圖1所示。與埋管垂直方向的平面為xy平面，與管平行的方向為z軸。

2? 非穩(wěn)態(tài)模擬

首先進行單井U型埋管非穩(wěn)態(tài)模擬，模型取井深100m，管徑26mm，土壤半徑5m的典型單U垂直地埋管模型。模擬夏天制冷工況，土壤初始平均溫度288K，假定入口初始溫度為310K，入口流速為0.4m/s。

2.1連續(xù)運行不同時間土壤溫度分布

埋管周圍土壤溫度場隨運行時間長短的變化。圖2是不同半徑處土壤溫度隨時間的變化情況。圖中繪出了系統(tǒng)運行1天到10天，土壤溫度場的分布情況。前5天每1天讀取一次數(shù)據(jù)，將半徑為0.1m到5m范圍內(nèi)土壤的溫度分布耦合成一條曲線，得到1到10天內(nèi)不同時間的土壤溫度場。

從圖中可以看出，運行1天后近半經(jīng)處土壤溫升很快，之后運行至10天近半經(jīng)處溫升不大;運行1天后遠半徑處溫度不變，影響半徑小于1.5m，隨著運行時間的增長，熱作用半徑逐漸擴大，遠半徑處溫升比近半徑處溫升有延遲。10天后熱作用半徑達到2.5m。

圖3是系統(tǒng)運行10天到90天，土壤溫度場的分布情況。每10天讀取一次數(shù)據(jù)，將半徑為0.1m到5m范圍內(nèi)土壤的溫度分布耦合成一條曲線，得到10到90天內(nèi)不同時間的土壤溫度場。

從圖中可以看出，系統(tǒng)運行10天后，隨著運行時間的增加，土壤溫度繼續(xù)升高。熱作用半徑繼續(xù)擴大，但同一半徑處溫升越來越緩慢，溫度變化逐漸減小。

2.2土壤不同半徑溫度隨時間的變化

截取Y=100000mm處不同土壤半徑，分別距埋管中心半徑為0.1m、0.3m、0.5m、0.7m、1m、1.5m、2m、2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m。非穩(wěn)態(tài)模擬連續(xù)運行90天，開始運行的前5個小時，1小時記錄一次數(shù)據(jù);前5天，1天記錄一次數(shù)據(jù);10天到90天，每10天記錄一次數(shù)據(jù)。

圖4是運行90天不同半徑土壤溫度變化曲線。從圖中可以看出，近半徑處土壤溫度在前幾個小時迅速升高，土壤半徑0.1m處1天后溫度達到297.5K。之后溫升緩慢，90天后溫度達到302.4K;土壤半徑0.3m處比0.1m處溫升明顯減小，90天后溫度為297.2K;離中心距離越遠，溫升越慢，在同一時刻，近半徑處不同半徑土壤溫度溫差大，遠半徑處不同半徑土壤溫度溫差小。半徑2m以外，溫差越來越小，如運行90天后，半徑2m處溫度為290.4K;半徑3m處溫度為289.4K;半徑4m處288.8K;半徑5m處288.7K。半徑大處土壤溫升有延遲，溫升緩慢并且溫升小，半徑為2.5m處10天后開始有溫升;半徑5m處20天后開始有溫升。

3 結(jié)論

通過對地源熱泵地埋管周圍土壤溫度場的三維非穩(wěn)態(tài)模擬研究，提供了地源熱泵長期運行地下土壤溫度場的變化情況。通過分析土壤溫度場，得出以下結(jié)論：

1）土壤溫度場隨著地源熱泵運行時間的增加而不斷變化，運行初期，埋管周圍近距離土壤溫度變化快，隨著運行時間的延長，近距離處土壤溫度變化減緩，土壤溫度變化范圍逐漸加大。

2）從地源熱泵長期運行角度考慮，土壤溫度變化隨半徑的增大而迅速減小。

3）考慮到地源熱泵運行一個周期對土壤溫度場的變化，井間距在4m到5m范圍內(nèi)最合理。

參考文獻

[1] 曹藝. 地源熱泵性能分析[D]. 太原： 太原理工大學(xué)， 2006

[2] 李文燊. 基于建筑負荷動態(tài)模擬的地源熱泵土壤溫度的分析[D]. 天津： 天津大學(xué)， 2008

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