地源热泵地埋管换热系统热堆积分析.pdf

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第25卷第1期
华中科技大学学报(城市科学版)
2008年3月
J. of HUST. (Urban Science Edition)
Mar.2008
地源热泵地埋管换热系统热堆积分析
胡平放1,朱娜,袁东立2,江章宁1
(1.华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074;
2.中国建筑科学研究院,北京100013)
摘要:针对一高层住宅负荷进行计算分析,应用 Fluent软件模拟该住宅小区地源热泵系统整个地下的埋管
温度场情况,分析排热量与取热量比值不同的情况下,地下温度逐年变化趋势,模拟若干年后地下土壤的温度
变化,与初始值比较,发现温度有不同程度的上升,将这些堆积的热耗散掉所需要的时间较长,提出地源热泵系
统地下热堆积问题的解决方案。
关键词:地源热泵;垂直U型埋管换热器;热堆积
中图分类号:TU833+.3文献标识码:A文章编号:1672-7037(2008)01-0024-04
地埋管地源热泵系统近年来在国内得到广泛(走廊区)。以2#楼为例,用软件建模生成的三维
应用-】,其热堆积问题也开始引起人们关注,但模型如图1
具体研究分析很少4-?。本文通过一具体工程实
彻的模拟,分析热堆积问题对地埋管换热系统的
影响,探讨解决方案。
工程概况
江苏某市一期高层住宅小区建筑面积约5.8
万m2,空调区面积约53770m2,其中1#楼、2
图12艹楼模型
2.2参数输入
楼和4#楼为11层,3#楼和5#楼为9层,均带
将设计参数根据界面要求输人,如果没有要
地下车库。每栋楼的朝向略有不同,大致为东西
求参数,可以在程序库里面选取最接近的一种,不
向。该住宅小区定位为中高档,夏季室内设计温度
会影响输出结果。外墙和屋面采用2
混凝
为26C,相对湿度小于60%;冬季室内设计温度
土外粘贴100mm聚苯板,内墙采用200mm混
为22℃,相对湿度大于40%。采用单U型理管的
凝土。由于程序的玻璃库里没有与要求的玻璃完
地源热泵系统,末端装置用天棚辐射加独立的新
全一样的,选取最接近的一种,对负荷计算影响不
风系统。
大。人员确定按两居室3人,三居室4人,四居室
2负荷分析
5人。根据《居住建筑设计节能标准》,灯光负荷设
定为5W/m2,家用电器包括冰箱、洗衣机、电视、
设计需要计算出整个园区全年围护结构和新电脑、微波炉,考虑到同时使用系数,综合取为
800W/户。根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设
风的负荷,选定 equest软件计算负荷。
2.1建模
计标准》、《公共建筑设计节能标准》、《居住建筑设
计节能标准》、《采曖通风与空气调节设计规范》,
直接导入经过处理的CAD平面图,为了简
化模型,居住区中不同用途的各个区合并为一个规定居住建筑主要空间的设计新风量指标,考虑
到新风除了满足人们的卫生要求,还要承担室内
区,最后将每层分为空调区(居住区)和非空调区
收稿日期:2007-07-09
作者简介:胡平放(1963-),男,江西新余人·副教授,研究方向为可再生能源利用及空调节能、地源热泵理论与技术, pingfang21
c163.com。
甚金项目:武汉市科技计刘项目(20066002051);武汉市建设科研项目(200624)。
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第1期
胡平放等:地源熱泵地埋管换热系统热堆积分析
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湿负荷,确定为每人39m3/h。
考虑机组的功率及(OP,在无辅助冷却设备时,
2.3计算结果
排热量与取热量的比值超过6:1
全年热负荷峰值出现在1月10号,冷负荷峰
利用 GAMBIT建模,将单U型管等效为单
值出现在7月30号,模拟出该园区的逐时负荷,管,网格划分节点步长0.1,地下埋管等效图与程
通过叠加6栋楼的负荷得到园区全年逐时负荷序划分的网格如图3。采用二维非稳态热传导模
(图2)。总冷负荷为2348kW,热负荷为996kW。型。K一∈模型作为紊流模型,隐式求解。埋管边界
2500
条件是假设每年有一恒定的热流经过管壁。
2000
1000
345678910以12
1000
时间/月
图2全年逐时负荷
图3单U型管群地下埋管网格
由图2可见,冷量总值远远大于热量总值,因此夏
由于划分网格的限制,先取一半,约300多口
季往地下的排热量远远大于冬季从地下的取热井分析运行时管群周围土壤的温度场分布情况
量,该地源热泵系统运行若干年后会使地下产生井的外围向外取20m作为边界,假设边界绝热。
热堆积,多余的热量若耗散不出去便会使地下温由于地下水渗流速度难以估计且大多数情况下较
度上升
小,其引起的热湿迁移量可以忽略,本文暂不
考虑地下热湿迁移,把它作为温度场的安全因素
3不同排热取热比的地下温度场模拟(有利于排热)。单U型管群地下埋管等效图以及
典型的15个监控点如图4所示。所标数字点为有
算出该园区的各楼及总负荷后,将负荷值折代表性的监控点,此排热量下运行时监控点逐年
算成流过管壁的恒定热流,再对运行时地下埋管的温度变化可从运行结果得到。
周围的温度场进行分析。因为全年排热量与取热
量不一样,若排热量远远大于取热量,将会造成运
:∷::13:::14::::-15
行若干年之后地下热堆积,为研究埋管周围的土
壤温度逐年变化规律,本文采用 Fluent软件,选
择不同的排热量与取热量来模拟地下的运行情
况,分析地下热堆积问题。
该地源热泵系统釆用单U管,单管直径为25
图4单U型管群地下埋管等效图
mm,U型管的等效直径为35mm,埋管深75m,3.1排热量与取热量比值为6:1时的模拟
利用 Fluent软件模拟地下单管运行情况,可以得
利用 Fluent软件模拟地下地源热泵系统运
到埋管周围土壤温度的分布
行后,地下多孔周围的温度场分布。由图5和图6
该地区地下土壤湿润,含水量较高,土壤平均可见,在地源热泵系统运行1年后,管周围的温度
初始温度约为16.8C,土壤密度为1.46kg/m3,明显高于周边地区,但热量不是很集中,又运行几
导热系数为1.3W/(m?K),定压比热容为1.2年后,地下的高温区域已连成一片,均集中在中心
kJ/(kg?K);回填材料密度为2.65kg/m3,导热
系数为2W/(m?K),定压比热容为0.65kJ/(kg
K);PE管密度为1.1kg/m3,导热系数为0.42
W/(m?K),定压比热容为1.465kJ/(kg?K)。
该园区地源热泵系统的地下埋管装置采用单U
形式,井深75m,井间距约为5m,共打井600口
根据水力平衡的计算结果分为四个部分,每部分
的管汇集到附近的窗井然后接到机房。将供冷期
间的冷负荷与供暖期间的热负荷分别累加起来,
图5排取热比6:1时运行1年后温度分布