土壤源熱泵系統地下溫度場的熱平衡模擬分析

2012-11-06 07:28:52宋智軍

山西建筑 2012年36期

宋智軍

(大同市規劃設計院，山西大同 037006)

1 項目簡介

成都來福士廣場位于成都市人民南路四段3號(原四川省博物館地塊)，整個建筑群包括辦公樓2座、酒店式服務公寓2座、五星級酒店1座連4層裙樓零售商業及4層地下室，總建筑面積約31萬m2，圍護結構負荷新型節能建筑的要求，建筑物的冷熱負荷明顯低于傳統的老式建筑。

成都來福士廣場的部分建筑采用土壤源熱泵作為建筑的冷熱源系統，滿足建筑群夏季供冷和冬季供熱的需要;土壤源熱泵系統的供熱量為3 000 kW;土壤源熱泵系統的供冷量為3 500 kW;地埋管間距6m，深100m，總孔數580個;現對地下溫度場的熱平衡進行20年的模擬計算，以確定土壤源熱泵系統對地下溫度場的影響情況。

2 軟件模擬計算土壤溫度場

由于時間限制，對整個埋管區域進行模擬計算是不現實的，現選擇有代表性的7×4個埋管區域進行模擬計算，由局部溫度場推測整個溫度場的變化情況。

2.1 數值計算

針對土壤溫度場的計算模型采用二維無限大矩形區域內非穩態熱傳導模型，基本描述如下:

本次計算是基于Fluent6.2軟件的Transient Solver進行的，其中邊界采用了UDF(User Defined Function)方法，計算過程中物性參數情況采用熱響應測試報告中的相關數據，夏季地埋管的每延米排熱量70W/延米，冬季地埋管的每延米取熱量為40W/延米。

本次數值計算采用四邊形網格和三角形網格相結合的混合網格，網格節點數目大約為978 250個，整個計算區域的尺寸為46×28，單位為m，其中埋管數為7×4個。圖1和圖2分別顯示了整個模擬區域內網格劃分以及雙U形埋地換熱器周圍網格劃分的詳細情況。

計算結果分為如下兩個方面進行模擬分析:方案一(本項目設計工況):土壤源熱泵系統承擔12月～3月的冬季熱負荷，地下溫度場恢復3個月，然后承擔最熱月7月～9月3個月的夏季冷負荷，并連續運行3個月;方案二:土壤源熱泵系統承擔12月～3月冬季熱負荷，接著土壤源熱泵系統以制冷模式運行，承擔4月～6月3個月的夏季冷負荷，其余時間為地下溫度場的恢復期。兩種模式下均模擬計算20年。

圖1 整個模擬區域計算網格劃分圖

圖2 雙U形埋管換熱器周圍細分網格

2.2 擬計算結果及分析

2.2.1 方案一地下土壤熱平衡分析

在此模擬計算過程中，冬季土壤源熱泵系統向土壤取熱結束后，恢復3個月，然后以制冷模式運行向土壤排熱3個月，進行20年的模擬計算。

圖3～圖6反映了土壤源系統按照方案一間歇運行20年期間，整個模擬區域土壤溫度場的變化情況(單位K)。通過20年運行的溫度云圖，可以清楚的看到整個地溫場較原始溫度場略有升高，最大值約為1.1℃。在這種運行模式下，地下溫度場基本上穩定在一個合適的范圍內，這個變化范圍是合理的。就平均情況而言(圖7，在距埋管1 m，2 m和3 m不同距離處土壤的平均溫度變化情況)，土壤源熱泵項目在此種方式下運行將會比較合理，不會破壞地下溫度場的平衡。

圖3 第1年末模擬區域土壤的溫度場（一）

圖4 第5年末模擬區域土壤的溫度場

2.2.2 方案二地下土壤熱平衡分析

在此模擬計算過程中，冬季土壤源熱泵系統向土壤取熱結束后，立即以制冷模式運行向土壤排熱，其余時間為土壤溫度場的恢復期。同樣進行20年的模擬計算。

圖8～圖10反映了土壤源系統按照方案二連續運行20年期間，整個模擬區域土壤溫度場的變化情況(單位K)。通過20年運行的溫度云圖，可以清楚的看到整個地溫場較原始溫度場有較大升高，最大值約為6℃。在這種運行模式下，土壤溫度場的升溫較大，對于土壤源熱泵系統的運行不是很合理。圖11反映了在距埋管1 m，2 m和3 m不同距離處土壤20年的平均溫度變化情況。