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地源熱泵系統概述及影響

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成为人视频免费视频免费观看地源熱泵系統概述及影響:

1概述

成为人视频免费视频免费观看近年來,隨著我國經濟的高速發展,越來越多的地區在采暖空調系統中開始采用地源熱泵技術,但是這樣的發展趨勢是否合理卻值得探討。本文以4個典型城市(北京,沈陽,廣州和武漢)為例,綜合考慮土壤溫度,土壤熱物性以及建筑圍護結構,負荷特性等因素的影響,對地源熱泵系統進行分析。

2模型介紹

2.1建立模型方法

成为人视频免费视频免费观看本文首先采用ANSYS公司的CFD軟件FLUENT6.3[1-2]建立了垂直U型地埋管換熱器的三維非穩態換熱模型,并采用有限容積法對地源熱泵地下換熱器系統進行分析。而后結合能耗模擬軟件DeST,對不同地區不同圍護結構的辦公建筑進行負荷分析,從而確定位于我國不同地區辦公建筑的負荷特性對地源熱泵系統的影響。

垂直U型地埋管模型復雜,在三維模型的基礎上還需如下簡化和假設:土壤是均勻常物性且各向同性的飽和多孔介質;忽略接觸熱阻的影響;忽略地表換熱的影響,假定為絕熱邊界條件;不考慮U形管進,回水管之間的傳熱影響。

2.2數學模型

成为人视频免费视频免费观看對于不可壓縮流體,連續性方程為:div(U)=0(1)

成为人视频免费视频免费观看控制方程通用形式為:?(ρφ)?t div(ρUφ)=div(Γφgradφ) Sφ(2)

成为人视频免费视频免费观看式中,ρ為管內流體密度;U為管內流體速度;φ為通用變量,可以代表速度u,v,w,溫度T,脈動動能K和脈動動能耗散率ε;Γφ為廣義擴散系數;Sφ為廣義源項。

2.3幾何模型

模型計算區域采用深度為100m的垂直U型地埋管,該地埋管所需的地表面積為40m×40m.垂直雙U型地埋管換熱器的計算區域。

成为人视频免费视频免费观看在建模過程中沒有考慮垂直U型地埋管底端彎管與土壤之間的換熱,相對于整個垂直U型地埋管的換熱,這部分可以忽略不計。這樣的簡化可以縮短計算機計算時間,且又不會對計算精度產生影響。

2.4網格劃分

垂直U型地埋管計算區域網格劃分是采用非結構化網格與變步長的結構化網格相結合的方法。

成为人视频免费视频免费观看在鉆孔的內外區以及管道壁的內外,均采用網格徑向變步長處理。在鉆孔內區,由于溫度變化比較劇烈,計算精度要求較高,所以采用較密的網格;在鉆孔外區,隨著鉆孔壁徑向半徑的增大,溫度變化越來越平緩,可以適當加大網格的間距。本文采用的網格變步長不大于1.2.相對于整個垂直U型地埋管換熱器較大的計算區域而言,管壁的幾何尺寸僅為3mm,網格劃分很困難,所以在網格劃分中并沒有考慮垂直U型地埋管的管壁厚度,而在實際換熱過程中,管壁厚度產生的熱阻是不能忽視的。因而,在計算過程中管壁所產生的熱阻在U型管與回填材料之間以局部熱阻的形式考慮進去。

2.5邊界條件

2.5.1遠端區域的邊界條件

垂直U型地埋管計算模型的遠端區域由4個面組成,均為第一類邊界條件,具體表達式如下:X=0m,TX=0m=Tsoil(3)

X=40m,TX=40m=Tsoil(4)

成为人视频免费视频免费观看Y=0m,TY=0m=Tsoil(5)

成为人视频免费视频免费观看Y=40m,TY=40m=Tsoil(6)

成为人视频免费视频免费观看式中,Tsoil為土壤的初始溫度;X為計算區域水平面橫向距離;Y為計算區域水平面縱向距離。

2.5.2底端面的邊界條件

垂直U型地埋管計算模型底端面的邊界條件為第二類邊界條件,即絕熱邊界條件,其表達式如下:Z=-100m,qZ=-100m=0(7)

成为人视频免费视频免费观看式中,Z為計算區域豎直方向長度;qZ=-100m為地下100m處熱流密度。

成为人视频免费视频免费观看2.5.3地表面的邊界條件

垂直U型地埋管計算模型地表面的邊界條件為第二類邊界條件,即絕熱邊界條件,其表達式如下:Z=0m,qZ=0m=0(8)

2.6數值模擬方法

成为人视频免费视频免费观看由于管內流體的流動和土壤中水的滲流都是穩定的。因此,采用穩態標準k-ε模型和動量方程對管內湍流進行求解。因為土壤中水的滲流為層流,只需求解動量方程即可,其中對流項差分格式采用QUICK格式,壓力速度耦合采用SIMPLE算法,壁面采用壁面函數法進行處理。流動計算完成后,再對管道流體與壁面以及土壤非穩態換熱和土壤中熱滲耦合換熱進行求解。

成为人视频免费视频免费观看3土壤溫度對地源熱泵的影響

3.1模擬參數的設定

以夏季為例,在假定地下換熱器進口溫度為33℃的前提下,分別選取土壤溫度為12~22℃之間的6種工況對地下換熱器系統進行換熱計算。

3.2模擬結果分析

分析計算結果可知,系統運行15d之后地下換熱器周圍土壤各項參數變化足夠小,可認為此時換熱達到穩定。

流體與地埋管周圍土壤之間的溫差比較大,換熱比較劇烈,因此土壤的溫度變化較大,換熱量也較高。隨著時間的增加,地埋管周邊聚集的熱量來不及散去,換熱器周圍土壤溫度逐漸升高,溫差逐漸減小,換熱量逐漸降低。另外由圖可知,同一時刻土壤初始溫度越低,地埋管的供,回水溫差越高,換熱量越高。

夏季換熱器進,出口水溫差當土壤初始溫度高于22℃,地下換熱器換熱達到穩定后,夏季地埋管與土壤之間的換熱量低于35W/m,地埋管進,出口水溫差低于1.5℃。通常而言,若熱泵冷凝器一側的換熱溫差過小,則不利于熱泵機組的正常工作,當前大多數的地源熱泵機組冷卻水側額定換熱溫差為5℃,所以如上所述工況對熱泵機組的運行將產生不利的影響。

不同地區土壤溫度及建筑負荷特性對地源熱泵系統的影響圖6和圖7反映了不同土壤初始溫度下,冬季地埋管每延米換熱量和供,回水溫差隨時間的變化曲線,冬季時的變化規律和夏季時大致一樣,本文不再贅述。

成为人视频免费视频免费观看從熱平衡角度分析可知,當土壤初始溫度介于16~20℃之間時,夏季地埋管向土壤排放的熱量與冬季地埋管從土壤吸收的熱量之比約為1.42~0.81.可認為1a內土壤的熱量得失是大致平衡的,地源熱泵系統不會對地球表面淺層地熱資源造成破壞。

成为人视频免费视频免费观看4建筑負荷對地源熱泵的影響

4.1建筑負荷與地源熱泵的關系

地源熱泵系統是為處理建筑物冷熱負荷服務的,因此不可避免地會受到負荷變化的影響。伴隨著建筑物冷熱負荷的變化,熱泵機組的性能參數也會隨之發生變化,并對地源熱泵地下換熱器系統的換熱造成影響,可以認為地源熱泵系統換熱性能與建筑負荷之間是存在耦合關系的。因此,建筑負荷的全年變化特征分析是地源熱泵系統地下換熱器設計及性能分析的前提,本文將對此進行定量分析。

4.2建筑計算模型概況

本文以某辦公建筑為例,對其建立DeST能耗模擬模型。

4個典型城市的建筑總負荷不同,對土壤源熱泵系統性能的影響也有所差異,尤其是在夏熱冬暖地區(以廣州為例),夏季向土壤的排熱量與冬季從土壤的吸熱量比值達到了37.5.由此判斷,僅僅依靠土壤源熱泵系統來解決冬夏季圖10北京(寒冷地區)全年逐時負荷(夏熱冬暖地區)全年逐時負荷采暖空調負荷并不合適,需要搭配其它形式的冷熱源,構架復合型采暖空調系統。

5結論

本文基于我國4個典型城市的土壤初始溫度及熱物性參數,對地源熱泵系統地下換熱器的工作狀況進行了模擬計算,并結合《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2005)中對不同地區建筑物圍護結構參數的限值,對辦公建筑進行了能耗模擬,進而分析了不同地區建筑負荷特性對地源熱泵系統性能的影響,得出以下結論:

成为人视频免费视频免费观看1)在不同地區不同土壤初始溫度的影響下,地源熱泵系統得到不同的參數響應。當土壤初始溫度介于16~20℃之間時,地源熱泵地埋管側進,出口水溫接近于熱泵機組標準工況,能較好地進行熱泵機組與地埋管側的換熱過程,此時冬夏季地埋管每延米土壤換熱量之比介于1.41~0.81之間。

成为人视频免费视频免费观看2)根據規范中對不同區域建筑物外圍護結構傳熱系數及熱阻的限值,結合各地區室外氣象參數建立DeST模型,可以初步判斷該地區建筑的負荷特性,進而得到地源熱泵系統地埋管側的換熱情況,據此可以判斷該地區地源熱泵系統冬夏季換熱是否平衡。通過本文的模擬計算可知,無論是夏熱冬暖地區,還是位于低緯度的部分夏熱冬冷地區,由于冬夏季土壤換熱量差別過大,僅靠地源熱泵系統來解決建筑采暖空調負荷是不合適的,應當考慮其它形式的冷熱源,構建復合系統。

成为人视频免费视频免费观看3)不同地區的氣候環境和地理條件不盡相同,盲目采用地源熱泵系統,其優勢不僅不能得到充分發揮,還有可能適得其反,不僅不節能,反而多耗能。

成为人视频免费视频免费观看因此在地源熱泵系統設計過程中,應充分考慮地區土壤熱物性及建筑負荷的特點,尤其是冬夏季冷熱負荷不平衡時,應考慮使用輔助冷熱源,即復合式地源熱泵系統,既可以滿足建筑負荷變化的需要,又使得地下換熱器存在一個恢復期,有利于地源熱泵系統長期穩定運行[7-9]。

成为人视频免费视频免费观看4)本文借助DeST軟件進行了建筑全年負荷的計算,并利用CFD軟件進行了地下換熱器與土壤換熱的模擬,沒有考慮土壤與周圍空氣的換熱,地表水的滲透以及地下水滲流等因素對土壤溫度恢復的影響,更進一步的討論研究及實踐有待日后深入進行。

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