Fluent軟件對太陽能-地源熱泵系統模擬分析

王丹 陳科

摘要：太陽能-地源熱泵系統是一種復合熱源的熱泵系統，是太陽能和土壤源兩種熱源結合的綜合利用，可以彌補各自的局限性，提高可再生資源的利用率。本文針對采用閉式垂直U型地埋管換熱器的太陽能-土壤源熱泵系統運行性能進行模擬，因其具有適用范圍廣，結構簡單，施工方便等優點，通過對地源熱泵系統供熱制冷的換熱情況進行分析，為地源熱泵系工程上設計、施工提供了理論參考依據。

Abstract： The solar-ground source heat pump system is a heat pump system with a composite heat source. It is a comprehensive utilization of two heat sources of solar energy and soil source， which can make up for their respective limitations and improve the utilization rate of renewable resources. This paper simulates the operation performance of a solar-soil source heat pump system using a closed vertical U-shaped buried tube heat exchanger. It has the advantages of wide application range， simple structure and convenient construction， and it provides heat supply to the ground source heat pump system. The analysis of heat transfer conditions provides a theoretical reference for the design and construction of ground source heat pump system.

關鍵詞：太陽能-地源熱泵;換熱模擬;土壤場溫度模擬

Key words： solar -ground source heat pump;heat exchange simulation;soil field temperature simulation

中圖分類號：TU832.1+7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）26-0164-02

1? 太陽能-地源熱泵系統概述

地源熱泵系統具有高效節能、環保效益顯著、運行可靠、維護方便、運維成本低等優點，具有系統連續運行由于地下埋管換熱器在土壤中持續取熱或放熱，會使土壤溫度周期性失衡，熱泵機組COP值低，使制冷或供暖空間達不到設定值，增加系統能耗，土壤導熱系數小，換熱強度弱，相同負荷情況下，需要換熱面積大，地下埋管用量多，需要占更多的地下空間，經濟性差等缺點。太陽能具有清潔能源、直接利用開發，便于采集、儲存巨大、用之不竭、等優點，具有分散性、不可靠、不穩定、間歇性等缺點。因此，提出了太陽能-地源熱泵系統將太陽能和土壤源兩種熱源結合的綜合利用，可以彌補各自的局限不足，提高可再生資源的利用率[1]。

太陽能-地源熱泵供暖系統主要有4種運行模式，分別為：土壤蓄熱模式、太陽能直接供暖模式、太陽能熱泵供暖模式、地源熱泵供暖模式[2]-[4]。

2? 冬、夏兩季工況的換熱模擬分析

本文使用FLUENT的前處理軟件也是專業的幾何模型建立軟件GAMBIT建立U型地埋管換熱器傳熱幾何模型[3]。GAMBIT以繪圖方式輸入模型的幾何形狀，本模型包括的幾何體有U型地埋管換熱器內的水、U型地埋管換熱器、回填土和土壤[4]-[5]。

幾何模型為鉆孔深度為60m，土壤半徑取3m，U型地埋管是外徑32mm，壁厚3mm的高密度聚乙烯管，U型地埋管兩管腿中心距為120mm，鉆孔直徑為200mm。模擬冬季工況時，U型地埋管換熱器進口水溫取為4℃，土壤半徑取為3m，土壤遠邊界溫度取18℃，井底部的土壤溫度取18℃，U型地埋管換熱器進口速度為0.6m/s。模擬夏季工況時，進口水溫設為35℃，流速0.6m/s，其他參數與冬季設定一致。水的運動粘度為：0.732×10-6m2/s，雷諾數為：Red=5306，湍流強度為：I=5.479%，水力直徑為32-2*3=26mm，模擬開始時，把時間步設為1s，隨著溫度場變化逐漸緩慢，慢慢加大時間步長。模擬時間為一周。模擬的結果如圖1、圖2、圖3所示。

從圖1、圖2、圖3可以看出，夏、冬兩個季節單位管長換熱量的變化趨勢是一樣的，都是在前20h內下單位管長換熱量也是在開始階段單位管長換熱量迅速增加，增加到大約63W/m時有開始迅速下降。在大約運行時間超過20h之后，開始緩慢下降并趨向于平緩。前幾小時內迅速升高，接著迅速下降并趨向于平穩。60h后，夏季工況單位管長換熱量穩定在30W/m左右，冬季工況的單位管長換熱量穩定在23W/m左右。總體上，夏季工況單位管長的換熱量要比冬季工況的單位管長換熱量稍大一點。這是由于夏季水溫和土壤溫度之間的溫差比冬季水溫與土壤溫度之間的溫差大造成的。

3? 冬、夏季連續工況下土壤場溫度模擬分析

由于與U型管換熱，土壤與回填土的溫度將隨時間不斷變化，為了得到土壤溫度受U型地埋管換熱器換熱影響的明顯結果，研究冬、夏兩季工況下熱泵連續運行三月（90天）后，土壤溫度的分布。為了方便表達，徑向以r表示，單位m，它們的徑向坐標分別為r=0.1m，0.6m，1.1m，1.6m。由于上章模擬時間比較短，只有管子周圍的土壤有明顯的溫度變化。為了得到地源在長期運行時間情況下，土壤場得溫度變化，主要模擬地源熱泵在連續運行3個月后的土壤溫度變化。采用前面的幾何模型。非穩態模擬，運行時間3個月，模擬結果如圖4所示，可以看出，在冬季工況下，系統運行3個月之后，土壤溫度場有了明顯的變化，靠近U型地埋管處土壤溫度低，從中心到土壤場外圍，溫度逐漸變大。這說明靠近U型地埋管附近的土壤受換熱的影響比較大，時間比較長，溫度下降的比較厲害。隨著半徑的增大，熱阻增大，并且受影響的土壤體積變大，土壤溫度變化變小。隨著運行時間的延續，水從土壤中帶走更多的熱量，將會有更多的土壤受到換熱影響，從而引起土壤溫度下降。

和冬季運行情況不一樣的是，系統夏季運行時，主要是向土壤中釋放熱量，取進口溫度35℃。模型和其它邊界條件不變，模擬結果如圖4所示，可以看出，在夏季工況運行下，土壤場溫度分布呈從中心到邊界溫度逐漸降低。這是因為U型地埋管中水的溫度高，水通過管壁和土壤進行熱交換，將熱量排放到土壤中，土壤由于吸收到了熱量溫度上升，隨著系統運行時間的增加，土壤中心處的溫度不斷上升，受影響的土壤半徑逐漸變大，越來越多的土壤受到影響。

4? 小結

通過Fluent軟件分別模擬了冬、夏季工況下地源熱泵機組連續運行1周進、出口溫度、填土溫度分布，得到：在冬、夏工況下，單位管長換熱量隨系統運行時間的變化趨勢是一樣的，機組運行時，開始0-8h換熱量迅速增加，之后開始下降，且下降的趨勢是由快到慢，運行時間到1周時，換熱量變化已經很小，且逐步趨向于平穩。出口溫度都是在運行60h后接近于平穩[2]。

通過模擬分析冬、夏兩季工況下熱泵連續運行三月（90天）后，土壤溫度的分布情況，得到：土壤溫度在豎直方向、周向上是不隨深度而變化的，在距管井中心較近的地方受U型管管腳溫差的影響而有所變化，但隨著離管井中心距離的增加，土壤溫度場在周向上變成了一個個以管井中心為軸的同心圓等溫線。沿徑向土壤的溫度變化較大，且隨著半徑的增加，溫度梯度變小[5]。

由于太陽能集熱器與土壤地埋管換熱聯合運行過程是一個比較復雜的傳熱、傳質過程，涉及的因素多。本文簡化了幾何模型，且個人能力有限，因此下一步可考慮間歇運行工況下的換熱規律，考慮處在管群中的換熱器之間的相互干擾，考慮不同換熱器形式之間的對比分析等方面進行更為準確和詳細的研究和探討。

參考文獻：

[1]楊衛波，施明恒，董華.太陽能土壤源熱泵系統聯合供暖運行模式的探討[J].暖通空調，2005，35（8）：25-31.

[2]李云.U型管地埋換熱器冬季傳熱性能的數值模擬與分析[D].天津：天津大學碩士學位論文，2007.

[3]康龍.地源熱泵U形埋管換熱的數值模擬及優化研究[D].天津：華中科技大學碩士學位論文，2007.

[4]張建波.套管式土壤空氣換熱器實驗與數值模擬研究[D].天津：華中科技大學碩士學位論文，2007.

[5]黃俊惠.地源熱泵U型管地下換熱器的數值模擬與分析[D].北京：中國農業大學碩士學位論文，2005.

[6]王天舒.節能型太陽能空氣源熱泵多功能機研究[J].價值工程，2018，37（07）：131-133.