長江中下游地區(qū)地埋管群時間效應數(shù)值分析★

范 琦

(江蘇省地質(zhì)局,江蘇 南京 210018)

淺層地熱能是一種可再生的環(huán)保能源[1-2]。為了充分利用淺層地熱能,人們設(shè)計了由多根地埋管組成的地源熱泵系統(tǒng),通過地埋管群夏季在巖土體中的儲熱和冬季在巖土體中的取熱,達到夏季制冷和冬季制熱的目的。但在長江中下游地區(qū),由于氣候原因,夏季的制冷需求時間大于冬季的制熱需求時間,導致地源熱泵系統(tǒng)運行時,夏季注入到巖土體中的熱量可能大于冬季從巖土體中吸取的熱量,使得夏季制冷期間儲存在巖土體中的熱量不能完成消散,造成巖土體溫度的升高,存在地源熱泵系統(tǒng)運行冷熱失衡的可能性[3-4],導致地源熱泵系統(tǒng)的運行時間達不到設(shè)計要求,也影響了碳中和目標的實現(xiàn)。為了保證地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行,在正式施工地埋管群前,對利用淺層地熱能的地埋管群的設(shè)計方案進行時間效應分析具有必要性和緊迫性。淺層地熱能在巖土層中的傳熱是一個非常復雜的過程,目前認為傳熱方式有[5-7]:巖土顆粒純導熱、地下水滲流導熱和熱濕遷移導熱,并對每種傳熱方式進行了理論分析。但因為傳熱理論分析以單根地埋管為基礎(chǔ),對于淺層地熱能地埋管群的時間效應分析,只能采用數(shù)值模擬的方法。作者依托江蘇省南京市石門坎102號地源熱泵工程,在充分利用勘察資料基礎(chǔ)上,用ANSYS數(shù)值模擬軟件,對設(shè)計的地埋管群進行了3 a,5 a,10 a巖土體中溫度場的數(shù)值模擬,研究場地中地埋管群的時間效應,以驗證設(shè)計方案的合理性。同時,該分析方法可供同行在特殊氣候條件下的長江中下游地區(qū)進行淺層地熱能地埋管群設(shè)計時借鑒參考。

1 石門坎地源熱泵工程概況

1.1 工程目的

石門坎地源熱泵工程位于江蘇省南京市秦淮區(qū),工程目的是為9號兩層辦公樓提供夏季制冷、冬季制熱的功能,地源熱泵系統(tǒng)的運行時間為星期一至星期五的8:30—17:30,地埋管群場地位于8號、9號辦公樓之間的空地(見圖1)。

1.2 場地工程地質(zhì)條件

8號、9號辦公樓之間的空地屬長江中下游地區(qū)典型的侵蝕堆積平原地貌,地埋管群場地的巖土層特征如表1所示。

表1 場地從上至下巖土層分布特征表

地埋管群場地地下水類型為潛水和裂隙水:潛水賦存于①-1雜填土、①-2素填土和①-3雜填土中,賦水量小,大氣降水及側(cè)向滲流補給,自然蒸發(fā)和側(cè)向滲流排泄;裂隙水賦存于全風化、強風化和中風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化粉砂巖中,賦水量小[8-9]。場地穩(wěn)定地下水位埋深為2.89 m～3.55 m。

1.3 場地巖土層熱物理性質(zhì)

把地埋管群場地勘探孔中獲得的巖土層樣品送到南京農(nóng)業(yè)大學進行了熱物理性質(zhì)測試[10-11],測試結(jié)果見表2。

表2 場地巖土層熱物理性質(zhì)測試結(jié)果表

1.4 地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)地源熱泵系統(tǒng)場地巖土體的熱物理性質(zhì)(如表2所示)和9號兩層辦公樓的實際需求,結(jié)合GB 50366—2009地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范,設(shè)計方案由3行9列、共27根單U型豎直地埋管群組成,相鄰地埋管間距為4 m(見圖1),單根地埋管的設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 單根地埋管設(shè)計參數(shù)表

2 石門坎地埋管群時間效應數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模擬軟件簡介

ANSYS軟件是國外開發(fā)的一款大型通用有限元分析軟件,能用該軟件進行熱分析是其功能之一。ANSYS熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程,用有限元法計算物體內(nèi)部各節(jié)點的溫度,并導出其他物理參數(shù)。運用ANSYS軟件可進行熱傳導、熱對流、熱輻射、相變、熱應力以及接觸熱阻等問題的數(shù)值分析,同時也能解決與熱相關(guān)的其他科學問題。

2.2 模型建立

為了建立地源熱泵系統(tǒng)的換熱模型,進行了以下假設(shè):1)巖土體的初始溫度均勻,且被近似為無限大的傳熱介質(zhì);2)巖土體具有穩(wěn)定的熱物理性質(zhì),忽略鉆孔內(nèi)熱容的影響,直接將巖土體溫度響應反映在鉆孔壁上;3)鑒于場地賦水量小,采用巖土顆粒純導熱的傳熱方式;4)計算時,忽略沿深度方向的溫度變化,只考慮徑向傳熱;5)不考慮地埋管與巖土體間的接觸熱阻?；谏鲜黾僭O(shè),可把地埋管群的傳熱分析簡化為二維平面,導熱微分方程為二維非穩(wěn)態(tài)形式,在平面直角坐標系下表示為式(1):

(1)

其中,τ為時間,s;a為巖土體導溫率;Φ為巖土體內(nèi)熱源。

初始條件為:τ=0時,t(x,y,z)=t(0)。

邊界條件為:1)地埋管鉆孔壁施加恒定熱流;2)地埋管鉆孔遠端邊界采用恒溫邊界,遠端邊界外不受溫度影響,遠端邊界取2倍的相鄰地埋管間距即為8 m?；谶吔鐥l件,圖1中的3行9列、共27根單U型豎直地埋管群分布于長48 m、寬24 m的矩形范圍內(nèi)。利用ANSYS軟件,對該矩形以0.5 m×0.5 m的單元網(wǎng)格進行網(wǎng)格剖分。

2.3 時間效應數(shù)值分析結(jié)果

2.3.1 參數(shù)選取

地源熱泵系統(tǒng)采用雙季運行,每天運行時間為9 h。夏季運行時系統(tǒng)在巖土體中儲熱,單位孔深排熱量60 W/m,制冷期90 d,總排熱量為2.94×108kJ,然后進入夏季恢復期;冬季運行時系統(tǒng)在巖土體中取熱,單位孔深吸熱量40 W/m,取暖期90 d,總吸熱量為2.61×108kJ,然后進入冬季恢復期。

根據(jù)表1,表2,數(shù)值模擬參數(shù)選取見表4。因為全風化泥質(zhì)粉砂巖、強風化泥質(zhì)粉砂巖單層厚度不超過2 m,所以兩套地層合二為一。

表4 數(shù)值模擬參數(shù)表

2.3.2 雙季工況地埋管群時間效應

對夏季制冷、冬季取暖雙季工況進行了模擬計算[12],選取第3層土即全風化、強風化泥質(zhì)粉砂巖中溫度場,其模擬結(jié)果如圖2—圖4所示。

由圖2—圖4可見:1)雙季工況下,與表4中第3層土的初始溫度對比,地源熱泵系統(tǒng)運行3 a后,地埋管中心位置溫度升高不到0.3 ℃,5 a后地埋管中心位置溫度升高了0.8 ℃,10 a后地埋管中心位置溫度升高了0.8 ℃,說明每年在巖土層的儲熱量和取熱量基本達到平衡,可保證地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行;2)溫度影響范圍不到2 m;3)由3行9列共27根、深100 m、間距4 m的單U型豎直地埋管群組成的石門坎102號地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計方案是合理的。

2.3.3 單季工況地埋管群時間效應

為了進行對比,對僅夏季制冷儲熱的單季工況進行了模擬計算,同樣選取第3層土中的溫度場,其模擬結(jié)果如圖5,圖6所示。

由圖5可見:單季工況5 a后,與表4中第3層土的初始溫度對比,第3層土的大部分區(qū)域溫度上升至22 ℃,尤其靠近地埋管處的土壤溫度達到了29 ℃,30 ℃,已達到空調(diào)工況的冷卻水溫度范圍。

由圖6可見:單季工況10 a后,與表4中第3層土的初始溫度對比,整個第3層土溫度為29 ℃～40 ℃,尤其靠近地埋管處的土壤溫度超過 35 ℃,超出了標準空調(diào)工況的冷卻水溫度范圍,也就是說單季工況下地源熱泵系統(tǒng)運行10 a后,巖土體中的溫度場將不再適用于夏季制冷。

3 結(jié)論

1)進行長江中下游地區(qū)的地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計時,為了實現(xiàn)長期穩(wěn)定地利用淺層地熱能的目的,應使地埋管群場地巖土體中每年的儲熱和取熱總量基本達到平衡。

2)在長江中下游地區(qū)賦水量小的淺層地熱能場地,地下水滲流導熱少,單U型豎直地埋管間距4 m是合理的。

3)在長江中下游地區(qū),地源熱泵的夏季制冷時間大于冬季制熱時間,會導致巖土體中的熱量失去平衡。為了消除巖土體中的熱量不平衡,常規(guī)措施是采用地埋管+冷卻塔的設(shè)計方案,但冷卻塔會增加成本,因此作者建議以下針對性的經(jīng)濟措施:采取夏季制冷時間和冬季制熱時間相等的運行方式;延長夏季恢復期,盡量消散夏季制冷期間儲存在巖土體中的熱量。

4)雙季工況下地埋管群時間效應數(shù)值模擬顯示,巖土體中溫度升高不超過1 ℃。而數(shù)值模擬采用巖土顆粒純導熱的傳熱方式,事實上,在長江中下游地區(qū),由于降雨量大,巖土體中或多或少含有水,而水具有地下水滲流導熱和熱濕遷移導熱的作用,會消散夏季制冷期間儲存在巖土體中的部分熱量,因此,總體上看,在長江中下游地區(qū)應用淺層地熱能時,常規(guī)的設(shè)計方案不會發(fā)生巖土體中的熱量失去平衡而影響地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的問題。

5)利用淺層地熱能的地埋管群是隱蔽工程,在施工前,對設(shè)計方案的時間效應進行數(shù)值分析是十分必要的。通過數(shù)值分析的方法,可以驗證方案的合理性。