某圖書館地源熱泵系統運行測試與模擬分析

孟祥來 劉剛 凌晨

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

地源熱泵技術是一種利用淺層地熱資源的既可供熱又可制冷的高效節能空調技術[1]。尤其在夏熱冬冷氣候的長江流域及其周圍地區，地源熱泵技術具有廣闊的推廣和應用前景。加速研究，大力發展熱泵節能技術，必將促進自然資源的合理利用，實現我國可持續發展戰略[2]。

目前國內在地源熱泵方面的研究多限于小型實驗平臺，或僅停留在數值模擬研究階段，同時越來越多的學校建筑開始采用地源熱泵系統，考慮到學校建筑與一般建筑的區別——學校建筑布置分散、單體負荷不大且有著獨特的寒暑假作息制度。對于地源熱泵在學校建筑應用中的推廣，有必要針對性地做出分析研究，以使得地源熱泵的應用更環保節能，更符合學校的長遠可持續發展。地源熱泵地埋管單位換熱能力在間歇運行時的換熱能力較好，這是與熱泵工作原理有關的[3]，本文研究間歇運行條件下東華大學圖書館地源熱泵系統，可以為上海及周邊地區同類建筑地源熱泵的使用提供寶貴意見和設計依據。

1 工程案例簡介

東華大學圖書館共有三層，二層書庫空調面積有1050m2，外文書庫三樓空調面積525m2，總空調面積為1575m2。地源熱泵空調系統于2010年9月10日建成投入運行，主要由三部分組成：熱泵機組、空調末端循環系統以及地下埋管換熱器系統（系統流程圖詳見圖1）。冷熱源主機采用4臺水-水熱泵機組，制熱的總容量為279kW，制冷的總容量為204kW；末端采用6臺空氣處理機組，水循環共設3臺循環泵，2用1備；地埋管換熱器采用單U型地埋管換熱器垂直敷設，鉆孔直徑為130mm，井深100m，總共45口，其中三口為監測井，管間距為3.5m。管材均采用高密度聚乙烯塑料管（HDPE），回填材料為篩選的當地黃土。另外，系統設置1臺冷卻塔，用來平衡土壤換熱器的換熱不勻性。

圖1 地源熱泵系統流程圖

自控系統采用JOHNSON CONTROLS公司的METASYS系統，可以實時切換地源熱泵自動/手動運行，并實現采集檢測室內外側進出水的溫度、流量、機組設備的功率、室內外溫濕度等參數；土壤溫度測試數據的采集采用組態王6.52軟件，其中土壤溫度的測量采用自制式帶不銹金屬外殼保護的Pt100鉑電阻熱電偶。采集數據的儀器型號見表1。

表1 儀器類型及參數

2 數據處理

冬季（夏季）地埋管換熱器的吸熱量（釋熱量）Φ[4]（kW）按下式計算：

式中：qm為水的質量流量，kg/s；cp為水的比定壓熱容，kJ/(kg·℃)；Tout為地埋管的出水平均溫度，℃；Tin為地埋管的進水平均溫度，℃。

CFD模擬時邊界條件需要給定鉆孔壁的熱流密度，計算公式為：

式中：q為鉆孔壁熱流密度，W/m2；Φ為熱泵機組的吸（釋）熱量，W；N為鉆孔個數；S為鉆孔側面積，m2（鉆孔深度100m，孔直徑110mm）。

3 實驗內容及結果分析

圖書館作為學校類公共建筑，其空調運行模式為晝開夜停間歇運行，正常開機時間為7:30～16:30，運行時間為9小時，停機時間為15小時，雙休日節假日均停機。

冬季運行前期是空調調試階段，系統不太穩定，運行階段出現過一些問題，因此耽誤了11月份部分供暖時期。2010年12月至2011年3月冬季運行階段時間統計如表2。

表2 冬季運行時間

系統定流量運行，室內側總水流量保持在8L/s，地源側總水流量保持在9.4L/s，地埋管換熱器內水流速保持在0.42m/s。系統初始運行階段，因室內側回水溫度較低，熱泵機組4臺全部開啟，其制熱能力超過了室內需要的熱負荷，室內側供水溫升較高；熱泵機組內壓縮機自動卸載，而后供熱達到平衡，系統進入穩定運行狀態，室內側進出水溫平穩上升。每間隔10分鐘記錄室內側及地源側供回水溫度，由式（1）計算得到供熱量和吸熱量，并取算術平均值為日平均供熱量和吸熱量。表3為冬季運行日的機組吸熱量及鉆孔壁熱流密度。

表3 冬季運行日機組吸熱量及鉆孔壁熱流密度

冬季運行結束后，進入過渡季節，過渡季節共95天，夏季空調運行開始于2011年6月20日，統計夏季地源熱泵系統運行情況見表4。

表4 夏季運行時間

夏季系統保持定流量運行，室內側總水流量保持在8L/s，地源側總水流量保持在9.4L/s，地埋管換熱器內水流速保持在0.42m/s。統計夏季運行日的機組吸熱量及鉆孔熱通量如表5。

表5 夏季運行日機組吸熱量及鉆孔熱通量表

統計得到冬季土壤累計失熱量174333MJ，夏季土壤累計的熱量260010MJ，運行一年冬夏兩季地埋管換熱器與土壤的換熱量之比為1:1.5。

4 土壤溫度場變化

為便于研究管群中心溫度變化情況及多年運行后土壤熱堆積情況，布置三口監測井，其中A井位于管群中心，B、C井位于管群邊緣和外圍起參照作用，每口井沿埋深方向間隔10m布置一個測點。圖2為2010年12月7日至2011年10月20日，經過了冬季運行、過渡季節恢復期、夏季運行、過渡季節恢復期，A監測井土壤溫度不同深度測點的溫度變化情況。

圖2 監測井A全年溫度變化

監測井每層土壤溫度與初始溫度相差均不到0.1℃，可認為運行一年管群中心及地塊周圍土壤溫度基本不變，間歇運行模式下土壤恢復較好。

5 CFD模擬求解及驗證

地埋管換熱器與土壤的傳熱過程是一個復雜的非穩態傳熱過程[5]，本文主要研究關于鉆孔外土壤傳熱的部分，由于鉆孔面積相對于周圍土壤面積非常小，為簡化計算期間忽略鉆孔內部U型管及回填材料，將鉆孔看作一個熱源，冬季熱流量從土壤傳遞到鉆孔中，夏季鉆孔產生熱通量與周圍土壤換熱。理論上講忽略鉆孔內部構造的模型比較粗糙，但可以減少測量參數帶來的誤差，對工程應用上影響不大，計算簡單實用性更強。作出以下假定：

1）土壤熱物性均勻，不隨土壤溫度變化而變化；

2）地層溫度不受外界環境溫度的干擾，認為地下土壤初始溫度均勻一致；

3）不考慮水分遷移對熱量傳遞的影響，埋管與土壤之間是純導熱過程；

4）忽略回填材料與土壤間接觸熱阻；

5）鉆孔同一截面的熱通量相同；

6）鉆孔間距足夠大，忽略鉆孔之間的傳熱影響；

7）不考慮土壤與外界大氣對流換熱。

根據東華大學圖書館地源熱泵系統中地埋管換熱器的布置圖，利用Gambit軟件建立平面二維模型幾何模型，求解器選用FLUENT分離式求解器，數學模型為能量守恒方程。初始條件定義土壤初始溫度為地源熱泵投入運行前測試得到的土壤平均溫度，邊界條件定義鉆孔外邊界熱通量為計算出的鉆孔熱通量，停機階段鉆孔熱通量為0，土壤外邊界定義為絕熱；因空調運行方式為間歇運行，首次計算得到的溫度場作為第二次計算的初始條件，依次求解。根據前期土壤熱響應測試結果定義材料熱物性見表6。

表6 土壤熱物性測試值

圖書館運行方式為晝開夜停，雙休日及節假日休息，這種間歇運行的方式使得每天運行后土壤溫度得到了一定的恢復，同時五個工作日所造成的土壤溫度上升或者下降，在周末停機時間都得到了較多的恢復。模擬得到周末停機時間，近管壁處土壤溫度恢復幅度在0.9～1.8℃的范圍內，表明圖書館間歇運行的方式加快了土壤溫度恢復速度，有利于地源熱泵系統的運行。

圖3 過渡季土壤溫度恢復情況

圖3為模擬運行一年后地埋管周圍土壤溫度場布，與暑假恢復前相比，最高溫度鉆孔壁處為1.88℃，降低了1.7℃，恢復后熱擴散面積增加，實驗監測點處溫度沒有受到影響，模擬結果與實驗數據相符合。

6 結論

1）地源熱泵間歇運行一年后，冬夏兩季埋管換熱器與土壤換熱量之比為1:1.5，管群內部中心及地塊周邊地區溫度均未受到影響，土壤恢復性較好，無熱堆積現象，且CFD模擬結果與實驗數據相符合。

2）學校建筑布置分散、單體負荷不大且有著獨特的寒暑假作息制度。本文通過對東華大學圖書館地源熱泵系統間歇運行一年后的土壤溫度場分析得出，相對于一般建筑，學校建筑更適宜采用地源熱泵系統。

[1]陳煥新,楊培志.地源熱泵[J].太陽能,2000,(4):10-11

[2]張佩芳,袁壽其.地源熱泵的特點及其在長江流域應用前景[J].流體機械,2003,31(2):50-53

[3]崔萍,刁乃仁,方肇洪.地源熱泵間歇運行對換熱器的影響[J].山東建筑工程學院學報,2001,16(1):52-57

[4]刁乃仁,方肇洪.地埋管地源熱泵技術[M].北京:高等教育出版社,2006

[5]王艷,刁乃仁,王京.U型管地熱換熱器熱作用半徑的數值模擬[J].建筑熱能通風空調,2011,30(3):46-49