某图书馆地源热泵系统运行测试与模拟分析

2013-06-29孟祥来刘刚凌晨

建筑热能通风空调 2013年1期

孟祥来刘刚凌晨

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

地源热泵技术是一种利用浅层地热资源的既可供热又可制冷的高效节能空调技术[1]。尤其在夏热冬冷气候的长江流域及其周围地区，地源热泵技术具有广阔的推广和应用前景。加速研究，大力发展热泵节能技术，必将促进自然资源的合理利用，实现我国可持续发展战略[2]。

目前国内在地源热泵方面的研究多限于小型实验平台，或仅停留在数值模拟研究阶段，同时越来越多的学校建筑开始采用地源热泵系统，考虑到学校建筑与一般建筑的区别——学校建筑布置分散、单体负荷不大且有着独特的寒暑假作息制度。对于地源热泵在学校建筑应用中的推广，有必要针对性地做出分析研究，以使得地源热泵的应用更环保节能，更符合学校的长远可持续发展。地源热泵地埋管单位换热能力在间歇运行时的换热能力较好，这是与热泵工作原理有关的[3]，本文研究间歇运行条件下东华大学图书馆地源热泵系统，可以为上海及周边地区同类建筑地源热泵的使用提供宝贵意见和设计依据。

1 工程案例简介

东华大学图书馆共有三层，二层书库空调面积有1050m2，外文书库三楼空调面积525m2，总空调面积为1575m2。地源热泵空调系统于2010年9月10日建成投入运行，主要由三部分组成：热泵机组、空调末端循环系统以及地下埋管换热器系统（系统流程图详见图1）。冷热源主机采用4台水-水热泵机组，制热的总容量为279kW，制冷的总容量为204kW；末端采用6台空气处理机组，水循环共设3台循环泵，2用1备；地埋管换热器采用单U型地埋管换热器垂直敷设，钻孔直径为130mm，井深100m，总共45口，其中三口为监测井，管间距为3.5m。管材均采用高密度聚乙烯塑料管（HDPE），回填材料为筛选的当地黄土。另外，系统设置1台冷却塔，用来平衡土壤换热器的换热不匀性。

图1 地源热泵系统流程图

自控系统采用JOHNSON CONTROLS公司的METASYS系统，可以实时切换地源热泵自动/手动运行，并实现采集检测室内外侧进出水的温度、流量、机组设备的功率、室内外温湿度等参数；土壤温度测试数据的采集采用组态王6.52软件，其中土壤温度的测量采用自制式带不锈金属外壳保护的Pt100铂电阻热电偶。采集数据的仪器型号见表1。

表1 仪器类型及参数

2 数据处理

冬季（夏季）地埋管换热器的吸热量（释热量）Φ[4]（kW）按下式计算：

式中：qm为水的质量流量，kg/s；cp为水的比定压热容，kJ/(kg·℃)；Tout为地埋管的出水平均温度，℃；Tin为地埋管的进水平均温度，℃。

CFD模拟时边界条件需要给定钻孔壁的热流密度，计算公式为：

式中：q为钻孔壁热流密度，W/m2；Φ为热泵机组的吸（释）热量，W；N为钻孔个数；S为钻孔侧面积，m2（钻孔深度100m，孔直径110mm）。

3 实验内容及结果分析

图书馆作为学校类公共建筑，其空调运行模式为昼开夜停间歇运行，正常开机时间为7:30～16:30，运行时间为9小时，停机时间为15小时，双休日节假日均停机。

冬季运行前期是空调调试阶段，系统不太稳定，运行阶段出现过一些问题，因此耽误了11月份部分供暖时期。2010年12月至2011年3月冬季运行阶段时间统计如表2。

表2 冬季运行时间

系统定流量运行，室内侧总水流量保持在8L/s，地源侧总水流量保持在9.4L/s，地埋管换热器内水流速保持在0.42m/s。系统初始运行阶段，因室内侧回水温度较低，热泵机组4台全部开启，其制热能力超过了室内需要的热负荷，室内侧供水温升较高；热泵机组内压缩机自动卸载，而后供热达到平衡，系统进入稳定运行状态，室内侧进出水温平稳上升。每间隔10分钟记录室内侧及地源侧供回水温度，由式（1）计算得到供热量和吸热量，并取算术平均值为日平均供热量和吸热量。表3为冬季运行日的机组吸热量及钻孔壁热流密度。

表3 冬季运行日机组吸热量及钻孔壁热流密度

冬季运行结束后，进入过渡季节，过渡季节共95天，夏季空调运行开始于2011年6月20日，统计夏季地源热泵系统运行情况见表4。

表4 夏季运行时间

夏季系统保持定流量运行，室内侧总水流量保持在8L/s，地源侧总水流量保持在9.4L/s，地埋管换热器内水流速保持在0.42m/s。统计夏季运行日的机组吸热量及钻孔热通量如表5。

表5 夏季运行日机组吸热量及钻孔热通量表

统计得到冬季土壤累计失热量174333MJ，夏季土壤累计的热量260010MJ，运行一年冬夏两季地埋管换热器与土壤的换热量之比为1:1.5。

4 土壤温度场变化

为便于研究管群中心温度变化情况及多年运行后土壤热堆积情况，布置三口监测井，其中A井位于管群中心，B、C井位于管群边缘和外围起参照作用，每口井沿埋深方向间隔10m布置一个测点。图2为2010年12月7日至2011年10月20日，经过了冬季运行、过渡季节恢复期、夏季运行、过渡季节恢复期，A监测井土壤温度不同深度测点的温度变化情况。

图2 监测井A全年温度变化

监测井每层土壤温度与初始温度相差均不到0.1℃，可认为运行一年管群中心及地块周围土壤温度基本不变，间歇运行模式下土壤恢复较好。

5 CFD模拟求解及验证

地埋管换热器与土壤的传热过程是一个复杂的非稳态传热过程[5]，本文主要研究关于钻孔外土壤传热的部分，由于钻孔面积相对于周围土壤面积非常小，为简化计算期间忽略钻孔内部U型管及回填材料，将钻孔看作一个热源，冬季热流量从土壤传递到钻孔中，夏季钻孔产生热通量与周围土壤换热。理论上讲忽略钻孔内部构造的模型比较粗糙，但可以减少测量参数带来的误差，对工程应用上影响不大，计算简单实用性更强。作出以下假定：

1）土壤热物性均匀，不随土壤温度变化而变化；

2）地层温度不受外界环境温度的干扰，认为地下土壤初始温度均匀一致；

3）不考虑水分迁移对热量传递的影响，埋管与土壤之间是纯导热过程；

4）忽略回填材料与土壤间接触热阻；

5）钻孔同一截面的热通量相同；

6）钻孔间距足够大，忽略钻孔之间的传热影响；

7）不考虑土壤与外界大气对流换热。

根据东华大学图书馆地源热泵系统中地埋管换热器的布置图，利用Gambit软件建立平面二维模型几何模型，求解器选用FLUENT分离式求解器，数学模型为能量守恒方程。初始条件定义土壤初始温度为地源热泵投入运行前测试得到的土壤平均温度，边界条件定义钻孔外边界热通量为计算出的钻孔热通量，停机阶段钻孔热通量为0，土壤外边界定义为绝热；因空调运行方式为间歇运行，首次计算得到的温度场作为第二次计算的初始条件，依次求解。根据前期土壤热响应测试结果定义材料热物性见表6。

表6 土壤热物性测试值

图书馆运行方式为昼开夜停，双休日及节假日休息，这种间歇运行的方式使得每天运行后土壤温度得到了一定的恢复，同时五个工作日所造成的土壤温度上升或者下降，在周末停机时间都得到了较多的恢复。模拟得到周末停机时间，近管壁处土壤温度恢复幅度在0.9～1.8℃的范围内，表明图书馆间歇运行的方式加快了土壤温度恢复速度，有利于地源热泵系统的运行。