長江中下游地區地埋管群時間效應數值分析★

范 琦

(江蘇省地質局,江蘇 南京 210018)

淺層地熱能是一種可再生的環保能源[1-2]。為了充分利用淺層地熱能,人們設計了由多根地埋管組成的地源熱泵系統,通過地埋管群夏季在巖土體中的儲熱和冬季在巖土體中的取熱,達到夏季制冷和冬季制熱的目的。但在長江中下游地區,由于氣候原因,夏季的制冷需求時間大于冬季的制熱需求時間,導致地源熱泵系統運行時,夏季注入到巖土體中的熱量可能大于冬季從巖土體中吸取的熱量,使得夏季制冷期間儲存在巖土體中的熱量不能完成消散,造成巖土體溫度的升高,存在地源熱泵系統運行冷熱失衡的可能性[3-4],導致地源熱泵系統的運行時間達不到設計要求,也影響了碳中和目標的實現。為了保證地源熱泵系統長期穩定運行,在正式施工地埋管群前,對利用淺層地熱能的地埋管群的設計方案進行時間效應分析具有必要性和緊迫性。淺層地熱能在巖土層中的傳熱是一個非常復雜的過程,目前認為傳熱方式有[5-7]:巖土顆粒純導熱、地下水滲流導熱和熱濕遷移導熱,并對每種傳熱方式進行了理論分析。但因為傳熱理論分析以單根地埋管為基礎,對于淺層地熱能地埋管群的時間效應分析,只能采用數值模擬的方法。作者依托江蘇省南京市石門坎102號地源熱泵工程,在充分利用勘察資料基礎上,用ANSYS數值模擬軟件,對設計的地埋管群進行了3 a,5 a,10 a巖土體中溫度場的數值模擬,研究場地中地埋管群的時間效應,以驗證設計方案的合理性。同時,該分析方法可供同行在特殊氣候條件下的長江中下游地區進行淺層地熱能地埋管群設計時借鑒參考。

1 石門坎地源熱泵工程概況

1.1 工程目的

石門坎地源熱泵工程位于江蘇省南京市秦淮區,工程目的是為9號兩層辦公樓提供夏季制冷、冬季制熱的功能,地源熱泵系統的運行時間為星期一至星期五的8:30—17:30,地埋管群場地位于8號、9號辦公樓之間的空地(見圖1)。

1.2 場地工程地質條件

8號、9號辦公樓之間的空地屬長江中下游地區典型的侵蝕堆積平原地貌,地埋管群場地的巖土層特征如表1所示。

表1 場地從上至下巖土層分布特征表

地埋管群場地地下水類型為潛水和裂隙水:潛水賦存于①-1雜填土、①-2素填土和①-3雜填土中,賦水量小,大氣降水及側向滲流補給,自然蒸發和側向滲流排泄;裂隙水賦存于全風化、強風化和中風化泥質粉砂巖、中風化粉砂巖中,賦水量小[8-9]。場地穩定地下水位埋深為2.89 m～3.55 m。

1.3 場地巖土層熱物理性質

把地埋管群場地勘探孔中獲得的巖土層樣品送到南京農業大學進行了熱物理性質測試[10-11],測試結果見表2。

表2 場地巖土層熱物理性質測試結果表

1.4 地源熱泵系統設計方案

根據地源熱泵系統場地巖土體的熱物理性質(如表2所示)和9號兩層辦公樓的實際需求,結合GB 50366—2009地源熱泵系統工程技術規范,設計方案由3行9列、共27根單U型豎直地埋管群組成,相鄰地埋管間距為4 m(見圖1),單根地埋管的設計參數如表3所示。

表3 單根地埋管設計參數表

2 石門坎地埋管群時間效應數值分析

2.1 數值模擬軟件簡介

ANSYS軟件是國外開發的一款大型通用有限元分析軟件,能用該軟件進行熱分析是其功能之一。ANSYS熱分析是基于能量守恒原理的熱平衡方程,用有限元法計算物體內部各節點的溫度,并導出其他物理參數。運用ANSYS軟件可進行熱傳導、熱對流、熱輻射、相變、熱應力以及接觸熱阻等問題的數值分析,同時也能解決與熱相關的其他科學問題。

2.2 模型建立

為了建立地源熱泵系統的換熱模型,進行了以下假設:1)巖土體的初始溫度均勻,且被近似為無限大的傳熱介質;2)巖土體具有穩定的熱物理性質,忽略鉆孔內熱容的影響,直接將巖土體溫度響應反映在鉆孔壁上;3)鑒于場地賦水量小,采用巖土顆粒純導熱的傳熱方式;4)計算時,忽略沿深度方向的溫度變化,只考慮徑向傳熱;5)不考慮地埋管與巖土體間的接觸熱阻?；谏鲜黾僭O,可把地埋管群的傳熱分析簡化為二維平面,導熱微分方程為二維非穩態形式,在平面直角坐標系下表示為式(1):

(1)

其中,τ為時間,s;a為巖土體導溫率;Φ為巖土體內熱源。

初始條件為:τ=0時,t(x,y,z)=t(0)。

邊界條件為:1)地埋管鉆孔壁施加恒定熱流;2)地埋管鉆孔遠端邊界采用恒溫邊界,遠端邊界外不受溫度影響,遠端邊界取2倍的相鄰地埋管間距即為8 m?；谶吔鐥l件,圖1中的3行9列、共27根單U型豎直地埋管群分布于長48 m、寬24 m的矩形范圍內。利用ANSYS軟件,對該矩形以0.5 m×0.5 m的單元網格進行網格剖分。

2.3 時間效應數值分析結果

2.3.1 參數選取

地源熱泵系統采用雙季運行,每天運行時間為9 h。夏季運行時系統在巖土體中儲熱,單位孔深排熱量60 W/m,制冷期90 d,總排熱量為2.94×108kJ,然后進入夏季恢復期;冬季運行時系統在巖土體中取熱,單位孔深吸熱量40 W/m,取暖期90 d,總吸熱量為2.61×108kJ,然后進入冬季恢復期。

根據表1,表2,數值模擬參數選取見表4。因為全風化泥質粉砂巖、強風化泥質粉砂巖單層厚度不超過2 m,所以兩套地層合二為一。

表4 數值模擬參數表

2.3.2 雙季工況地埋管群時間效應

對夏季制冷、冬季取暖雙季工況進行了模擬計算[12],選取第3層土即全風化、強風化泥質粉砂巖中溫度場,其模擬結果如圖2—圖4所示。

由圖2—圖4可見:1)雙季工況下,與表4中第3層土的初始溫度對比,地源熱泵系統運行3 a后,地埋管中心位置溫度升高不到0.3 ℃,5 a后地埋管中心位置溫度升高了0.8 ℃,10 a后地埋管中心位置溫度升高了0.8 ℃,說明每年在巖土層的儲熱量和取熱量基本達到平衡,可保證地源熱泵系統長期穩定運行;2)溫度影響范圍不到2 m;3)由3行9列共27根、深100 m、間距4 m的單U型豎直地埋管群組成的石門坎102號地源熱泵系統的設計方案是合理的。

2.3.3 單季工況地埋管群時間效應

為了進行對比,對僅夏季制冷儲熱的單季工況進行了模擬計算,同樣選取第3層土中的溫度場,其模擬結果如圖5,圖6所示。

由圖5可見:單季工況5 a后,與表4中第3層土的初始溫度對比,第3層土的大部分區域溫度上升至22 ℃,尤其靠近地埋管處的土壤溫度達到了29 ℃,30 ℃,已達到空調工況的冷卻水溫度范圍。

由圖6可見:單季工況10 a后,與表4中第3層土的初始溫度對比,整個第3層土溫度為29 ℃～40 ℃,尤其靠近地埋管處的土壤溫度超過 35 ℃,超出了標準空調工況的冷卻水溫度范圍,也就是說單季工況下地源熱泵系統運行10 a后,巖土體中的溫度場將不再適用于夏季制冷。

3 結論

1)進行長江中下游地區的地源熱泵系統設計時,為了實現長期穩定地利用淺層地熱能的目的,應使地埋管群場地巖土體中每年的儲熱和取熱總量基本達到平衡。

2)在長江中下游地區賦水量小的淺層地熱能場地,地下水滲流導熱少,單U型豎直地埋管間距4 m是合理的。

3)在長江中下游地區,地源熱泵的夏季制冷時間大于冬季制熱時間,會導致巖土體中的熱量失去平衡。為了消除巖土體中的熱量不平衡,常規措施是采用地埋管+冷卻塔的設計方案,但冷卻塔會增加成本,因此作者建議以下針對性的經濟措施:采取夏季制冷時間和冬季制熱時間相等的運行方式;延長夏季恢復期,盡量消散夏季制冷期間儲存在巖土體中的熱量。

4)雙季工況下地埋管群時間效應數值模擬顯示,巖土體中溫度升高不超過1 ℃。而數值模擬采用巖土顆粒純導熱的傳熱方式,事實上,在長江中下游地區,由于降雨量大,巖土體中或多或少含有水,而水具有地下水滲流導熱和熱濕遷移導熱的作用,會消散夏季制冷期間儲存在巖土體中的部分熱量,因此,總體上看,在長江中下游地區應用淺層地熱能時,常規的設計方案不會發生巖土體中的熱量失去平衡而影響地源熱泵系統長期穩定運行的問題。

5)利用淺層地熱能的地埋管群是隱蔽工程,在施工前,對設計方案的時間效應進行數值分析是十分必要的。通過數值分析的方法,可以驗證方案的合理性。