地源热泵冬季工况土壤温度变化特性研究
中国建筑西南设计研究院 许杨 华中科技大学 沈国民 邹立成 李学文
摘要：本文对某办公楼进行全年的能耗模拟分析和整个地源热泵空调系统运行进行2年的模拟。在动态负荷下，对半径为2.5m的地埋管土壤区域在供热期间以及停机期间进行温度场的数值模拟。结果表明，土壤温度变化幅度由中心向远端逐渐减小，机组停机后的前5天内土壤温度恢复较快，而后逐渐变慢。
关键词：地源热泵 数值模拟 地埋管
1 引言
土壤源热泵具有良好的节能与环境效益，对土壤源热泵进行研究具有很大的工程实际应用价值，而地埋管换热器的传热过程与地下土壤温度场的变化是土壤源热泵的关键技术之一[1]。因此研究地埋管换热器的换热情况、土壤温度场的变化情况显得尤为重要。
本文首先通过EnergyPlus对一栋建筑进行能耗模拟，然后通过Fluent软件建立三维非稳态传热模型，对地源热泵冬季工况土壤温度变化进行模拟[2]，得到动态负荷时绝热边界条件下土壤温度场的变化情况。同时也对机组停机后，土壤温度恢复情况进行模拟与分析，以期为实际工程提供指导。
2 建筑能耗及地源热泵系统模拟
本文模拟对象为武汉市某办公建筑，如图1所示。该建筑为南北朝向，共3层，其内部空间主要用作办公室、会议室等。该建筑层高为3.5m，南北墙长45.72m，东西墙长30.48m，总建筑面积为4180.5m2。该建筑夏季室内设计温度为图1 模拟建筑外观模型 26~28℃，相对湿度设计为40~65%；冬季室内设
计温度为18~22℃。根据温度的一致性，对该建筑进行分区，按东区、南区、西区、北区、中心区，每层均划分为5个区，总共15个区。
该办公楼的空调系统采用地源热泵系统，室内空调采用全空气系统，设备环路采用水-水热泵机组，而冷却水环路则采用地下环路换热。各分区夏季空调设定温度为26℃；冬季采暖设定温度为20℃。由于各分区的渗透风与风速成比例，模拟中按照EnergyPlus默认0.25次/小时的换气次数来计算。建筑的全年冷热负荷如下图2所示。
图2建筑全年冷热负荷图 图3地埋管进口水温变化图
由图2中的计算结果可知：全年最大冷热负荷分别为275kw、200kw左右。该建筑的冷热负荷峰值之比约为1.375。全年最大冷、热负荷面积指标分别为66.7w/m2和47.84w/m2，冷、热负荷大部分集中在6~8、12~2月之间。对整个建筑空调系统进行为期2年的能耗及系统模拟，得到地埋管的进口水温变化如图3所示。
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3 地埋管换热器模型的建立
本文利用Gambit对地埋管换热器进行建模，为了建模和方便划分网格，沿土壤深度方向将地埋管模型分为三部分，如图4所示。沿径向则分别是回填材料、U型管、管内循环水以及土壤。而由于地埋管周围的传热具有对称性，本文选取材料网格划分如图5所示。
2到
2的半圆柱形区域进行建模仿真[3]。水平面回填
图4 地埋管模型局部示意图 图5 水平面回填材料网格划分示意图
4 动态模拟结果及分析
本文主要是对运行在冬季工况下的土壤源热泵系统进行动态模拟仿真。仿真模拟的时间段为11月20日至次年3月23日。其中设定地埋管侧水泵与热泵机组一样运行时间为7:00~17:00。该建筑所需的室外管井数目为80口，每口井深100米，采用DN25的PE管（单U），钻孔孔径为150mm，每口井定水流速为0.33m/s。考虑到地源热泵连续运行，经过为期一年的模拟可以得知，在第一年的冬季开始时，绝热边界条件下模型的初始温度为21.6℃。
在地埋管的模拟过程中，选用的时间步长为15分钟，每步最大的迭代次数为800次。在定义边界条件时，通过UDF来定义进口的速度与温度参数；若监测到当前步长的速度为0.00001m/s时，则读取出口面的温度值然后直接赋予进口。在Fluent中按到中心的距离共设置如下12个监测点: P1（0.0m），P2（0.05m），P3（0.1m），P4（0.25m），P5（0.5m），P6（0.75m），P7（1.0m），P8（1.25m），P9（1.5m），P10（1.75m），P11（2.0m），P12（2.2m）。利用Fluent中的Monitor对每个监测点的温度值进行实时监测。
4.1 供热期间的土壤温度场分析
根据以上的计算模型，在绝热边界条件下 对间歇运行的地源热泵系统供热期间的土壤温 度场进行模拟计算和分析[4]，可得到土壤温度的 分布。图6为模拟计算时间1月21日00:15时 的土壤温度分布。在绝热边界下的整个土壤温 度场均受到影响。离地埋管较近的区域温度下 降越快，远端相对下降较慢，整个土壤的温度
图6 地下35米处地埋管水平面温度分布
分布比较均匀。从远端到中心，温度梯度逐渐 增大，土壤远端与中心的温差为0.65℃，远端土壤温度维持在21.4℃，中心土壤温度则降至20.75℃。这是由于绝热边界下的土壤没有外界的热量补充，随着热负荷的不断增大，地埋管的取热量逐渐增多，整个土壤的热量从远端向中心传递，进而土壤整体温度逐渐下降。Fluent中设置的12个监测点在绝热边界条件下的温度监测结果如图7和图8所示。
由图7和图8可以看出，由中心向远端各点的温度变化范围越来越小，温度波存在衰减与延迟。 由于边界条件为绝热，在边界面上土壤没有热量补充进来，因此随着地埋管不断从地下取热，热量从远端向中心传递，各个点温度就会有不同程度的下降。远端温度在1月23日时已下降至21.4℃，中心监测点温度则在19.85℃附近变化，在机组运行时不断下降，停机时则缓慢恢复。而远端监测点
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的温度则始终下降。而实际情况也与绝热边界更加吻合。
图7 供热期间各监测点温度变化
图8 供热期间各监测点温度变化
4.2 停机期间地下土壤温度场分析
机组停机后，土壤温度开始逐渐恢复并趋于相对稳定。对绝热边界条件下的土壤温度恢复情况进行模拟分析，得到土壤温度恢复变化如图9和图10所示。 从图9和图10可以看出在经过10天恢复，绝热边界条件下的远端与中心土壤温度差从停机前
图9 停机6天水平截面温度分布
图10 停机10天水平截面温度分布
图11 停机期间各监测点温度变化
的0.65℃到停机4天后的0.2℃再到停机10天的0.05℃。热量由远端向中心传递，土壤温差越来越小。在绝热边界条件下的远端温度在不断下降，整体土壤温度较低。经过足够长时间恢复后，整个区域的土壤温度会趋于一个稳定值。各个监测点在绝热边界条件下停机后的温度变化如图11、
图12 停机期间各监测点温度变化
图12和图13所示。
由图11、图12绝热边界下各个监测点停机期间温度变化情况可以看出，P1~P3点温度在停
图13 停机期间土壤温度变化图
机后迅速上升，P4~P7点温度则先下降后上升，P8~P12点温度则一直下降，在停机12天后土壤温度基本趋于稳定。从图13可以看出，以半径1.25m的圆为界，界内的监测点温度逐渐上升，界外的监测点温度逐渐下降，且离圆越远的点温度变化越大，土壤的温度分布也由陡峭的V形逐渐变得平缓。经过足够长的恢复时间后，整个区域的土壤温
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度最后将基本成一直线。
从土壤的温度恢复过程中说明，实际工程很有必要为土壤温度的恢复提供一定的时间，而机组在冬季工况间歇运行能满足这点要求。土壤温度的恢复不仅能提高机组运行效率，也避免了地埋管换热器因冬季土壤温度过低失去换热能力。
5 结论
通过对供热期间（11月20日至次年3月23日）以及停机期间绝热边界条件下的土壤温度场的模拟分析，得到如下结论：
（1）地埋管出口温度和土壤温度的下降幅度随着热负荷增大而增大。土壤温度的变化幅度由中心向远端逐渐减小。绝热边界条件下，整个土壤区域温度是不断下降的。
（2）机组停机后的前4、5天内土壤温度恢复较快，随着停机时间的不断增加，土壤温度恢复越来越慢。热量由远端向中心传递，土壤温差越来越小。绝热边界条件下，远端土壤温度在不断下降，中心土壤温度不断上升，最终整体土壤温度将趋于一个稳定中间值。各个监测点的温度极小值出现的时间会由近及远出现不同程度的延迟，延迟时间的长短主要取决于离孔壁的距离。
参考文献
[1] Cenk Yavuzturk, Andrew D Chiasson. Performance analysis of U-tube, concentric tube and standing column well ground
heat exchangers using a system simulation approach [J]. ASHRAE Trans, 2002, 108 (1):925-938. [2] 周亚素. 土壤热源热泵动态特性与能耗分析研究[D]. 上海: 同济大学, 2001.
[3] 李云旦，张旭. 土壤源热泵冬季工况启动特性的实验研究[J]. 暖通空调, 2001, 31 (1), 17-20.
[4] 李芃，仇中柱，于立强. U型垂直埋管式土壤源热泵埋管周围温度场的理论研究[J]. 暖通空调, 2002, 32 (1): 17-20.
作者简介：许杨，男，1987年2月，2008级硕士研究生，四川省成都市天府大道北段866号，610042，steffee.hvac@gmail.com
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