地下水源熱泵多周期運(yùn)行特性模擬研究

張淑秘

（長春建筑學(xué)院城建學(xué)院，吉林長春 130607）

地下水源熱泵多周期運(yùn)行特性模擬研究

張淑秘*

（長春建筑學(xué)院城建學(xué)院，吉林長春 130607）

地下水源熱泵運(yùn)行過程中，如果冬季從地下吸熱和夏季放熱不平衡，多余的熱量（冷量）就會(huì)在地下積累，打破原有的地下溫度場(chǎng)的平衡，造成地下溫度局部升高或降低，對(duì)系統(tǒng)的多周期運(yùn)行非常不利。從熱平衡角度考慮，地下水源熱泵比較適合應(yīng)用于冷熱均衡的地區(qū)。對(duì)于冷熱失衡的地區(qū)，為保證系統(tǒng)能多周期運(yùn)行，應(yīng)采取蓄熱模式。倒井蓄熱運(yùn)行模式與固定蓄熱井運(yùn)行模式相比，具有供暖期抽水溫度高，制冷期抽水溫度低的特點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)優(yōu)先選用。

水源熱泵；多周期運(yùn)行；模擬

0 引言

地下水源熱泵技術(shù)是一種地?zé)崮芸沙掷m(xù)開發(fā)利用方式，最早出現(xiàn)于歐美等國家，因其具有較高的運(yùn)行效率且環(huán)境效益顯著，得到了廣泛的推廣應(yīng)用[1]，目前國內(nèi)許多城市也已廣泛應(yīng)用。地下水源熱泵通過熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建筑物與淺層地下水和含水層介質(zhì)之間的能量交換，夏季將建筑物的熱量傳輸?shù)降叵潞畬又校緦⒑畬又械臒崃哭D(zhuǎn)移進(jìn)建筑物。如果冬季從地下吸熱和夏季放熱不平衡，多余的熱量（冷量）就會(huì)在地下積累，打破了原有的地下溫度場(chǎng)的平衡，造成地下溫度的局部升高或降低，對(duì)地下水源熱泵系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行影響巨大[2]。研究不同冷熱負(fù)荷搭配的地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是保證地下水源熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

本文借助計(jì)算機(jī)軟件對(duì)多年運(yùn)行的不同地區(qū)的地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，為保證系統(tǒng)長期運(yùn)行提出合理的解決方案，對(duì)解決實(shí)際工程問題具有指導(dǎo)意義。

1 地下含水層水-熱耦合數(shù)學(xué)模型

1.1 定流量承壓水完整井流的數(shù)學(xué)模型

定流量承壓水完整井流的數(shù)學(xué)模型[3]：

式中，s=H0-H，其解析解為：

式中：

s——抽水影響范圍內(nèi)的任一點(diǎn)、任一時(shí)刻的水位降深，m；

H0——初始水頭，m；

H——t時(shí)間后水頭，m；

Q——井中抽水穩(wěn)定流量，m3/d；

T*——導(dǎo)水系數(shù)；

t——從抽水開始到計(jì)算時(shí)刻的時(shí)間，s；

r——計(jì)算點(diǎn)到井軸距離，m；

μ*——含水層儲(chǔ)水系數(shù)；

W(μ)——泰斯井函數(shù)。

1.2 地下巖土多孔介質(zhì)的熱量運(yùn)移

地下多孔介質(zhì)的熱量運(yùn)移從傳遞方向來看，有水平向及垂向兩個(gè)方向[4]。本文論述中忽略垂向運(yùn)移的影響。其微分方程為：

式中：

T——熱力學(xué)溫度，K；

C，Cw——多孔介質(zhì)與水的熱容量，J/(m3·℃)；

λ——熱力彌散系數(shù)，J/(m·d·℃)；

v——實(shí)際平均流速，m/s；

vx,vy,vz——v的3維分量。

式中：

λc——介質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)；

λv——熱機(jī)械彌散系數(shù)；

λ，λc，λv——二秩張量；

λxx，λyy，λzz——λ的分量；

β——熱彌散度。

2 數(shù)值模擬

采用 Gambit軟件來建立物理模型，并用其劃分網(wǎng)格。以Fluent軟件為平臺(tái)，利用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行含水層水熱耦合傳熱模擬，利用耦合隱式算法求解，求解過程采用迭代法，采用基于網(wǎng)格單元的二維非穩(wěn)態(tài)分離解算器，離散格式為一階迎風(fēng)格式。本文忽略水位變化及地下水橫流的影響，同時(shí)假定抽水量能夠?qū)崿F(xiàn)完全回灌，即理想化地認(rèn)為：不論抽灌量多少及抽灌時(shí)間長短，地下含水層中水源都是充足的。為使數(shù)值模擬的結(jié)果盡可能地符合實(shí)際，并能在一定程度上指導(dǎo)實(shí)際工程，水文地質(zhì)條件的選取參考東北地區(qū)，基本參數(shù)為：巖土含水層基本物性參數(shù)按第四紀(jì)的粗砂、沙礫和圓礫層設(shè)定，其參數(shù)如表1所示。布井方式分為單列順排對(duì)置式[5]，采用等量均勻抽灌。具體參數(shù)如表2所示。

表1 巖土含水層物性參數(shù)

表2 模型計(jì)算共性條件

3 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同地區(qū)水源熱泵多周期運(yùn)行抽水井溫度變化

為了模擬熱泵在不同地區(qū)多周期運(yùn)行的應(yīng)用效果，本文選取三個(gè)典型的地點(diǎn)（其制冷時(shí)間和供熱時(shí)間見表3）進(jìn)行模擬研究，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為5年。圖 1為三種模式運(yùn)行周期內(nèi)抽水溫度的變化曲線，從圖 1可以看出，三種運(yùn)行模式抽水溫度在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)呈現(xiàn)周期性波動(dòng)趨勢(shì)。模式 1由于供暖時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于制冷時(shí)間（即熱負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于冷負(fù)荷），運(yùn)行周期內(nèi)從地下取熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)向地下的放熱，抽水溫度呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，系統(tǒng)運(yùn)行一定的時(shí)間后由于抽水溫度過低將導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。模式 2由于冷熱負(fù)荷相對(duì)均衡，抽水溫度在運(yùn)行周期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，有利于系統(tǒng)的多年穩(wěn)定運(yùn)行。模式3由于向地下放熱高于系統(tǒng)從地下取熱，抽水溫度呈逐年上升的趨勢(shì)，將影響熱泵的夏季運(yùn)行效果。

表3 不同運(yùn)行模式運(yùn)行時(shí)間的設(shè)定（單位：天）

圖1 不同模式抽水溫度變化

由于供熱期和制冷期熱泵對(duì)抽水溫度的要求有差別，因此有必要對(duì)供熱期和制冷期的抽水平均溫度單獨(dú)進(jìn)行研究。從圖2可以看出模式1冬季抽水溫度呈逐年下降趨勢(shì)，對(duì)于系統(tǒng)的冬季運(yùn)行極其不利。模式2無論在冬季還是在夏季抽水溫度相對(duì)都比較穩(wěn)定，有利于系統(tǒng)長期穩(wěn)定的運(yùn)行。模式 3夏季抽水溫度呈上升趨勢(shì)，對(duì)于系統(tǒng)的夏季運(yùn)行極其不利。

圖2 不同運(yùn)行模式供暖期與制冷期抽水平均溫度變化

3.2 不同蓄熱模式抽水溫度變化

對(duì)于冷熱失衡的系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)在停井期進(jìn)行蓄熱（蓄冷）。以模式 1為例，為保證系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運(yùn)行，在每個(gè)運(yùn)行周期的第二個(gè)停井期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行蓄熱。根據(jù)在蓄熱期間抽灌井是否互換分為固定井蓄熱（模式4）及倒井蓄熱（模式5）。圖3為不同模式抽水溫度變化曲線圖。從圖中可以看出，采取蓄熱后抽水溫度在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)呈現(xiàn)周期性波動(dòng)趨勢(shì)，但總體抽水溫度變化趨勢(shì)相對(duì)較平穩(wěn)。從圖4可以看出，模式5冬季具有較高的抽水溫度而夏季具有較低的抽水溫度，系統(tǒng)運(yùn)行效果較好。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)優(yōu)先采用。

圖3 不同模式抽水溫度變化

圖4 不同運(yùn)行模式供暖期與制冷期抽水平均溫度變化

4 結(jié)論

1）對(duì)于冷熱失衡的地區(qū)，多周期運(yùn)行的地下水源熱泵系統(tǒng)會(huì)造成地下溫度場(chǎng)局部升高或降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)無法運(yùn)行。在冷熱均衡的地區(qū)地下水源熱泵具有較好的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。

2）對(duì)于冷熱失衡的地區(qū)，為了保證水源熱泵能長期運(yùn)行，需在停井期進(jìn)行蓄熱，倒井蓄熱與固定井蓄熱相比，具有冬季抽水溫度高、夏季抽水溫度低的優(yōu)勢(shì)應(yīng)優(yōu)先采用。

[1]倪龍, 封家平, 馬最良. 地下水源熱泵的研究與進(jìn)展[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2004, 23(2): 26-31.

[2]徐貴來, 劉紅衛(wèi), 張晴, 等. 胡元平.地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期間巖土層溫度變化規(guī)律研究[J]. 資源環(huán)境與工程, 2010, 24(2): 180-184.

[3]何俊杰, 王明偉, 王廷國. 地下水動(dòng)力學(xué)[M]. 北京:地質(zhì)出版社, 2009.

[4]楊偉濤, 龍華寶, 石冠男, 等. 抽水量對(duì)下水源熱泵抽灌井設(shè)計(jì)間距的影響[J]. 制冷, 2012, 31(2):72-76.

[5]陳響亮. 抽灌井群熱交互性及其布控特性研究[D]. 長春: 吉林大學(xué), 2011.

Simulation of Multi-cycle Running Characteristics of Underground Water Heat Pump

ZHANG Shu-mi*
(College of Urban Construction, Changchun Architecture and Civil Engineering Institute, Changchun, Jilin 130607, China)

During the running of the underground water source heat pump, if the heat absorbed from the ground in winter and emitted to the ground in summer is unbalanced, the excessive heat will be accumulated in the underground, and the balance of original underground temperature field will be broken, thus, the increase or decrease of the partial underground temperature, which will be very unfavorable for multi-cycle running system. In terms of the heat balance, the underground water source heat pump is more suitable for applications in the hot and cold balanced regional. For the hot and cold unbalanced regions, to ensure the system with multi-cycle running, the heat storage mode of operation should be taken. The comparison between the exchanged wells mode with heat storage and the fixed wells mode with heat storage shows that, the former has higher pumping water temperature during the heating period and lower pumping water temperature during the cooling period, and should be adopted preferentially in actual operation process.

Water source heat pump; Multi-cycle operation; Simulation

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.106

*張淑秘(1980-)，女，講師，博士研究生。研究方向：地能利用及強(qiáng)化傳熱。聯(lián)系地址：長春市雙陽區(qū)長青公路14公里處，長春建筑學(xué)院城建學(xué)院，郵編：130607。聯(lián)系電話：0431-89752431。E-mail：zhangshumi2006@sina.com。