低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統運行土壤溫度場特性研究★

王松慶 李昳瞳

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

目前，節能減排和保護環境是關系到我國發展的兩大課題。地源熱泵作為新的可再生能源，也在我國有了越來越多的發展和應用。但在我國北方地區，由于地源熱泵的應用存在兩個原因的限制：1)土壤全年蓄熱釋熱總量嚴重不平衡。夏季蓄熱量遠小于冬季取熱量，土壤缺乏足夠的熱量補充；2)土壤初始溫度低，影響地源熱泵系統制熱工況時的運行效率[1,2]。使得在該地區應用地源熱泵技術時需要考慮增加輔助熱源用以蓄熱或供熱，目前輔助熱源多選擇為太陽能、空氣能等，而關于利用低溫余熱進行蓄熱的思路也于近年提出[3]。陳紅兵等建立數學模型，分析土壤在高溫蓄熱下濕遷移對地下土壤溫濕度場的影響[4]，但沒有分析利用低溫余熱進行蓄熱時土壤溫度場的變化，模型也較為簡化。武廷方等采用有限差分的思想，建立了離散方程并進行數值求解[5]，但計算量過大無法得出整片地源熱泵土壤的溫度場變化。根據有限差分法，唐志偉等建立了三維數值模型，并用專業軟件進行數值模擬[6]，為模擬提供了一種新思路。侯靜等運用專業軟件模擬了地源熱泵運行一個季度的溫度場變化[7]，但運行時間較短，也沒有考慮熱平衡等問題。胡平放等運用數值分析，探究了土壤、回填材料的導熱性能，埋管間距等因素對換熱器性能的影響[8]，為本文在建模時提供了參考，但在建模時僅建了單根地埋管進行研究，沒有對整片土壤的熱濕遷移進行分析。目前我國低溫余熱大部分未被充分利用，而且由于工藝過程中存在周期性、間斷性或生產波動，余熱具有不穩定性[9,10]，如果直接從余熱中提取熱量后用于建筑物采暖和空調，則無法保證建筑物采暖和空調的可靠運行。王文君將余熱和空氣源熱泵結合起來，通過理論計算得到在-10 ℃時，制熱COP為4.87，相比普通空氣源熱泵有所提高[11]，說明余熱具有利用價值。因此，為了解決上述兩個原因的限制，本文將地源熱泵與低溫余熱相結合，構建低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統，布置低溫余熱蓄熱型地源熱泵埋管形式，并運用數值分析的方法探究土壤溫度場的變化規律。

1 低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統構建

地源熱泵技術可以充分有效利用低品位能源，提高能源品位。將地源熱泵技術與余熱利用技術有效結合起來，將低溫余熱通過地埋管換熱器將熱量有效存于土壤中，既可以有效解決地源熱泵土壤全年蓄釋熱總量不平衡的問題，又可以克服余熱不穩定的缺點，提高地源熱泵實際運行效率及低溫余熱利用效率。這種利用地埋管換熱器將低溫余熱向地下土壤補熱以保證地源熱泵系統高效運行的技術稱為低溫余熱蓄熱型地源熱泵技術，如圖1所示。由圖1可知，地埋管換熱器管群布置時分為內外兩部分，外層地埋管接工業余熱端，利用低溫余熱對地埋管周圍土壤進行蓄熱，內層地埋管接熱泵機組，為用戶端的暖通空調系統提供能量。低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統需要根據工廠與用戶端的位置合理的選擇分配，選出最優的余熱遠距離輸送方案，并根據用戶端的溫度要求合理的利用輸送到末端的熱量。在選取工廠時需要考慮到該工廠的工藝特性以及余熱特性等，將工業余熱與用戶端的埋管換熱器有效的結合起來，這樣所構建出來的系統即為低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統。

2 數值模型的建立

本文通過數值模擬來分析低溫余熱蓄熱型地源熱泵埋管周圍土壤的溫度場，選取北方地區的辦公樓，根據冬夏兩季設計總負荷得出需要的豎井總數共100口，每口井敷設一根U形管。由于地埋管的數量過多，在建模時為了控制網格數量，提高計算效率，可將地埋管簡化為柱熱源[12]，在二維模型中柱熱源則進一步簡化為線熱源，并且整片土壤的上下左右均對稱，因此建模時取其1/4的部分即可，建立了圖2的二維傳熱模型。圖中把25口豎井設置成5×5的方陣來布置，左側和上側的埋管相當于外層地埋管，共9根；其他埋管相當于內層地埋管，共16根。運行時，外層地埋管在全年運行下只通過利用低溫余熱來為土壤蓄熱；內層地埋管冬夏兩季正常運行，為用戶端的供暖空調系統提供所需能量，過渡季由于北方地區氣候適中，可停止運行，盡可能減少對土壤溫度環境的改變。外層地埋管與土壤邊緣的間距6 m，地埋管兩管間的間距4 m，豎井的直徑300 mm。為了用圖表形式來體現熱濕遷移的變化，選取4個監控點，監控該點全年的溫濕度變化情況，圖2和表1顯示了監控點的位置。

表1 監控點的位置選取 m

3 理論計算模型

本文為了盡量接近實際，在探究熱遷移的同時也考慮了濕遷移，土壤的熱濕遷移是相互影響，相互作用的。土壤中水分的流動遵循達西定律，本文在達西定律和質量守恒方程的基礎上建立熱濕遷移模型，由于忽略了重力引起的熱濕遷移的影響，而且模型是對稱的，因此只需考慮土壤徑向的熱濕遷移問題。根據以溫度梯度和濕度梯度二者為驅動力下的philip模型，土壤的濕遷移總方程為：

(1)

其中，ρl為水的密度；ψ為土水勢；θv為土壤體積含水率；Dθ，DT分別為等溫擴散系數、等濕擴散系數。

在熱量遷移過程中土壤的相關參數都隨著熱量的遷移發生著相應的變化，則由濕量遷移引起的熱量為：

(2)

其中，cl，ρl,θv分別為水的比熱容、水的密度、土壤體積含水率。

土壤微元體內的能量方程為：

(3)

其中，ρ為土壤的密度；c為土壤的比熱容。

4 結果及分析

本文模擬了全年工況下該模型的運行，并且假設內外層地埋管的熱流密度在各個季節內保持不變。模型中的物性參數如表2所示，土壤邊緣被認為是無限遠處，設置為定溫條件，保持在8 ℃，相對濕度為40%，運行策略如表3，表4所示。在模擬同時監控上文中的4個監測點的溫濕度變化，并記錄下每月1號0時各點的溫濕度值。

表2 數值模型中的物性參數

表3 運行策略的季節天數

表4 內外埋管熱流密度邊界條件

各監測點在該運行策略下的溫度逐月變化情況如圖3所示。由圖3可知，運行一年后，可以看出各點的變化趨勢基本一致，首先，由于初始的換熱量較大，土壤溫度會呈現上升的趨勢，隨著冬季的運行，內層埋管向土壤不斷取熱，會使土壤溫度降低，而且越靠近內層埋管的土壤溫度降低越明顯；冬季運行結束后，內層埋管停止取熱，只有外層埋管利用低溫余熱對土壤進行蓄熱，內層埋管之間的土壤與外層埋管的溫差較大，會使熱量更容易傳遞，從而使土壤溫度升高；到了夏季內層埋管則會為土壤蓄熱，從而為建筑物提供冷量，外層埋管繼續對土壤蓄熱，使土壤溫度進一步呈現升高趨勢并達到峰值；秋季與春季同理，由于蓄熱量減少，土壤溫度則會呈下降趨勢；再次到達冬季時，土壤溫度也會進一步下降。

由圖3可知，運行一年后4個監測點的溫度較土壤初始溫度有高有低，運行一年后得到土壤的平均溫度8.32 ℃，與初始溫度8 ℃相比只增加了0.32 ℃，相當于初始溫度增加了4%，可以得到低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統不僅使土壤全年蓄釋熱總量基本達到平衡，并且也沒有使土壤的溫度降低，保證了地源熱泵的運行效率。從監測點1的溫度變化曲線可以看出，外層埋管外的土壤溫度變化趨勢并沒有十分明顯，監測點1全年最高和最低溫度分別為8.27 ℃,8.09 ℃，監測點1全年的溫度變化范圍不超過0.2 ℃，因此外層埋管以外的土壤溫度環境基本不受低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統運行的影響。

各監測點在該運行策略下的濕度逐月變化情況如圖4所示。由圖4可知，運行一年后，土壤的濕度是整體呈現下降趨勢的，外層埋管周圍土壤與邊界土壤的濕遷移較明顯，而越靠近管群內的土壤濕遷移越少，到了整片土壤最中心處，即監測點4的濕遷移基本處于平緩，相對濕度僅減少了0.3%，即便是管群外的土壤相對濕度減少了5.3%。土壤的平均相對濕度35.7%，與初始濕度相比減少了4.3%，因此，埋管周圍土壤并不會因為利用低溫余熱蓄熱而使土壤局部出現干涸甚至裂縫，進而影響和改變與土壤之間的傳熱。

比較圖3和圖4可以得到，當各點的溫度達到峰值時，濕度均未達到峰值，并且濕度的峰值是落后于溫度的，因此，土壤濕遷移相較于溫度遷移有一定的滯后性，這個現象符合了前人們得出的結論，從而驗證了溫濕度的數據比較符合實際的運行規律，所得出的結論也具有一定的參考價值。

5 結語

低溫余熱由于能源品位較低，穩定性差，因而難以被回收利用。本文將低溫余熱與地源熱泵相結合，構建了低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統，通過數值分析土壤溫度場的運行特性，得到運行一年后，土壤的溫濕度變化范圍都很小，不僅解決了北方地區土壤全年蓄釋熱總量嚴重不平衡的問題，而且保證了地源熱泵的運行效率，也沒有過度的改變土壤的溫濕度變化范圍導致土壤環境或土壤中微生物等遭到破壞。因此，低溫余熱蓄熱型地源熱泵系統在北方地區具有十分廣闊的發展前景。

參考文獻:

[1] 白天嚴寒地區土壤源熱泵系統地埋管運行特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學博士學位論文,2010.

[2] 孫海龍.嚴寒地區空氣熱源土壤蓄熱熱泵供暖系統可行性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學碩士學位論文,2011.

[3] 李麗梅.埋地換熱器土壤內熱濕遷移與地表能源特性研究[D].天津:天津大學碩士學位論文,2006.

[4] 陳紅兵,吳 瑋,張 磊,等.土壤高溫蓄熱過程中熱濕傳遞特性的數值研究[J].可再生能源,2015,33(9):1376-1380.

[5] 武廷方,李 丁,鹿凱凱,等.地源熱泵土壤熱濕遷移的數值模擬[J].青島理工大學學報,2015,36(6):68-74.

[6] 唐志偉,金 楠,閆桂蘭.地源熱泵地中換熱器的非穩態傳熱數值研究[J].可再生能源,2008(1):55-58.

[7] 侯 靜,劉 穎,魏領帥,等.土壤源熱泵U型埋管換熱器三維非穩態模擬研究[J].區域供熱,2012(2):52-56.

[8] 胡平放,康 龍,江章寧,等.地源熱泵U型埋管換熱影響因素的數值模擬與分析[J].流體機械,2009,37(3):64-68.

[9] 連紅奎,李 艷,束光陽子，等.我國工業余熱回收利用技術綜述[J].節能技術,201,29(2):123-128.

[10] 張 亮.回收工業余熱廢熱用于集中供熱的研究[D].濟南:山東建筑大學碩士學位論文,2012.

[11] 王文君.利用余熱和太陽能的空氣源熱泵系統研究[D].武漢：華中科技大學,2015.

[12] Yian GU,Dennis L.O' Neal.Modeling the effect of backfills on U-tube ground coil performance[J].ASHRAE Transactions,1998,104(2):356-365.