西安地區(qū)地源熱泵項(xiàng)目運(yùn)行分析

孫玉亮

1.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司

2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院

0 引言

地?zé)豳Y源是綠色環(huán)保、可再生清潔能源的典型代表，其分布廣、儲(chǔ)量大、穩(wěn)定性好、利用系數(shù)高，在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)指引下，地源熱泵近幾年迎來了空前的發(fā)展機(jī)遇［1-2］，供能建筑面積達(dá)到13.92 億m2［3-4］，僅2020 年就增加了1.73 億m2［5］。隨著地源熱泵技術(shù)的快速應(yīng)用，也出現(xiàn)了一些隱患，主要是巖土體的冷熱失衡問題［6-7］，造成供能效果逐漸變差，導(dǎo)致這一問題的主要原因是運(yùn)行策略不合理［8-10］。本文針對(duì)西安地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件，通過數(shù)值模擬計(jì)算及分析不同運(yùn)行時(shí)間地源熱泵系統(tǒng)換熱特性，為地源熱泵技術(shù)的合理應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 雙U型地埋管換熱器三維傳熱模型建立

1.1 模型建立

三維傳熱模型包括雙U 型地埋管內(nèi)的循環(huán)水、雙U 型地埋管、鉆孔內(nèi)的回填材料和鉆孔周圍的土壤。地埋管鉆孔及地埋管換熱器周圍的土壤可以看成圓柱體，雙U 型地埋管換熱器安裝在豎直鉆孔中，地埋管和循環(huán)水采用一維曲線描述（管道流），以提高計(jì)算效率。根據(jù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)，雙U 型地埋管的外半徑為12.5 mm 的塑料管且U 型支管的中心距離為70 mm，鉆孔深度為150 m、鉆孔半徑為150 mm，模型底部為30 m，模型半徑為6 m，建立1:1三維雙U型地埋管傳熱模型，如圖1所示。

圖1 雙U型地埋管幾何模型網(wǎng)格劃分圖

1.2 邊界條件

在求解器中設(shè)置求解鉆孔內(nèi)的回填材料、地埋管換熱器周圍及底部土壤為固體區(qū)域，地埋管換熱器及循環(huán)水為管道流體。對(duì)建立好的模型進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，見表1。

表1 邊界條件

1.3 材料基本參數(shù)

材料基本參數(shù)見表2。

表2 材料基本參數(shù)

2 不同運(yùn)行時(shí)間雙U型地埋管換熱器換熱特性數(shù)值分析

地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長短對(duì)土壤溫度場恢復(fù)有很大影響，若系統(tǒng)運(yùn)行不合理，則會(huì)造成土壤冷熱不平衡，從而導(dǎo)致供熱或制冷的效果逐年下降，縮短系統(tǒng)壽命。為研究不同運(yùn)行時(shí)間雙U型地埋管換熱器換熱特性，本文選用單管和管群，模擬分析其不同運(yùn)行時(shí)間土壤溫度場分布特征及換熱特性。

2.1 單孔不同運(yùn)行時(shí)間對(duì)地埋管換熱特性影響分析

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行情況，夏季制冷分為兩類：每天運(yùn)行4 小時(shí)、每天運(yùn)行8 小時(shí)；冬季供熱每天運(yùn)行8 小時(shí)，每周運(yùn)行6 天。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了三種模擬方案：

①夏季每天運(yùn)行4 小時(shí)，每周運(yùn)行6 天，共運(yùn)行3個(gè)月；

②夏季每天運(yùn)行8 小時(shí)，每周運(yùn)行6 天，共運(yùn)行3個(gè)月；

③夏季每天運(yùn)行8 小時(shí)，每周運(yùn)行6 天，運(yùn)行3個(gè)月，冬季每天運(yùn)行8小時(shí)，每周運(yùn)行6天，運(yùn)行4個(gè)月，共運(yùn)行1年，模擬結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 夏天4小時(shí)6天3個(gè)月?lián)Q熱量及地溫場隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線圖

圖3 夏季8小時(shí)6天3個(gè)月?lián)Q熱量及地溫場隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線圖

圖4 “夏3冬4”8小時(shí)6天1年換熱量及地溫場隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線圖

（1）夏季4小時(shí)6天3個(gè)月

（2）夏季8小時(shí)6天3個(gè)月

（3）夏季3個(gè)月冬季4個(gè)月8小時(shí)6天1年

由圖2～圖4可知：夏季單孔每天運(yùn)行4小時(shí)或8 小時(shí)，供冷期整體出水溫度相對(duì)穩(wěn)定，溫差基本控制在0.8 ℃范圍內(nèi)，地溫場出現(xiàn)少量熱堆積，經(jīng)秋季地溫場短暫恢復(fù)后，冬季單孔每天運(yùn)行8小時(shí)，供熱期整體出水溫度相對(duì)穩(wěn)定，溫差基本控制在0.5 ℃范圍內(nèi)，地溫場出現(xiàn)少量冷堆積，系統(tǒng)整體運(yùn)行1年后，整體地溫場出現(xiàn)少量冷堆積，地溫場最大溫降在0.3 ℃左右。

2.2 管群不同運(yùn)行時(shí)間對(duì)地埋管換熱特性影響分析

地源熱泵建設(shè)項(xiàng)目基本都是管群，因此，有必要對(duì)管群效應(yīng)進(jìn)行研究，更貼合實(shí)際情況，鑒于計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的限制，本次計(jì)算4 個(gè)孔，正方形布置，鉆孔間距3 m，模擬方案：夏季每天運(yùn)行8 小時(shí)，每周運(yùn)行6天，運(yùn)行3個(gè)月，冬季每天運(yùn)行8小時(shí)，每周運(yùn)行6 天，運(yùn)行4 個(gè)月，分別運(yùn)行1 年和3 年，模擬結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 “夏3冬4”8小時(shí)6天1年換熱量及地溫場隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線圖

圖6 “夏3冬4”8小時(shí)6天3年換熱量及地溫場隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線圖

（1）夏季3個(gè)月冬季4個(gè)月8小時(shí)6天1年

（2）夏季3個(gè)月冬季4個(gè)月8小時(shí)6天3年

由圖5 可知：夏季管群每天運(yùn)行8 小時(shí)，供冷期整體出水溫度相對(duì)穩(wěn)定，溫差基本控制在1 ℃范圍內(nèi)，地溫場出現(xiàn)少量熱堆積，經(jīng)秋季地溫場短暫恢復(fù)后，冬季單孔每天運(yùn)行8 小時(shí)，供熱期整體出水溫度相對(duì)穩(wěn)定，溫差基本控制在0.8 ℃范圍內(nèi)，地溫場出現(xiàn)少量冷堆積，系統(tǒng)整體運(yùn)行1 年后，整體地溫場出現(xiàn)少量冷堆積，地溫場最大溫降在0.5 ℃左右。

由圖6 可知：管群系統(tǒng)運(yùn)行1 年、2 年和3 年后鉆孔夏季平均出水溫度分別為27.07 ℃、26.87 ℃及26.85 ℃；冬季平均出水溫度分別為11.59 ℃、11.54 ℃及11.53 ℃，地溫場最大溫降分別為0.5 ℃、0.55 ℃及0.56 ℃，由此可見，管群在此運(yùn)行模式下冬夏季出水溫度及地溫場前2 年下降較快，第3年幾乎不變。

3 結(jié)論

通過模擬分析西安地區(qū)單孔和群孔雙U 型地埋管換熱器在不同運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行工況下土壤溫度場分布特征及換熱特性，得到以下主要結(jié)論：

（1）地源熱泵管群系統(tǒng)應(yīng)間歇運(yùn)行，每天最大負(fù)荷工況下連續(xù)運(yùn)行不超過8小時(shí)；

（2）年總供冷熱量差值控制在10%內(nèi)，以便土壤溫度恢復(fù)；

（3）3 年和10 年土壤溫差分別控制在1 ℃和3 ℃內(nèi)，以保證地源熱泵系統(tǒng)長期供熱/制冷效果。