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淺談地下水的流動對地下換熱器的影響

發布時間:2012-10-12 發布人:admin
    我國地域寬廣,蘊藏著豐厚的地表淺層地能資源(一般小于400m),因為土壤源熱泵本身的優越性,以及大家對環保、節能認識的日益注重,土壤源熱泵在我國必將有著寬廣的發展前景。土壤耦合熱泵體系因其運用可再生的地熱能,被稱為是2l世紀的一項最具有發展前途的具有節能和環保含義的制冷空調技能,而蓄冷技能則是為緩解電力供應嚴重局勢,在以平衡電網峰谷負荷、削峰填谷為意圖的局勢下敏捷發展起來的一種改動電力需求側用電辦法的空調技能。鑒于此,哈爾濱工業大學提出了一種合適于以空調負荷為主、采暖負荷為輔區域的全新的熱泵型空調體系一土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成體系。該體系在建筑物空調時段,進行周期性的蓄冷、釋冷、停機運轉,盤管周圍土壤也隨之發作周期性的凍融相變;冬天可供應建筑物所需的熱量。文獻[1]從前對這種體系在熱傳導機制下進行過研討,
    本文即對準這種體系,進一步研討滲流對地下管群換熱器換熱的影響狀況。
    當前國內外關于豎直U型埋管換熱器的傳熱模型都是依據純導熱的模型,盡管許多研討者和工程技能人員認識到地下水滲流可以對地下埋管換熱器的換熱才能發作重要的影響,也提出過一些定性的剖析,可是因為該問題的雜亂性,至今很少見到深化的理論剖析,現有的地下埋管換熱器描繪軟件首要依據線熱源理論、圓柱熱源理論、能量守恒方程等來樹立操控方程,也都沒有思考地下水滲流的影響。
    但在美國明尼蘇達州,從前呈現現場測驗的土壤導熱系數極度偏高,后經剖析是由地下水活動惹起的_2j。英國的一棟三層辦公樓夏日管內流體均勻溫度測驗值比模仿值低許多,測驗值只到達3℃,經剖析是因為地下水活動使管周圍的溫度下降而惹起的_3j。此外,在幾個現場測驗和選用人工地下水活動的模仿實驗中也發現了類似的表象_4j。因而,本文對準土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成體系,進一步研討地下水滲流對地下管群換熱器換熱的影響。
    1 雙功用地下管群換熱器
    土壤蓄冷與土壤耦合熱泵體系首要使用于冬夏負荷不平衡的區域,在夏日對土壤進行蓄冷、釋冷,使埋管換熱器兼作換熱器和蓄冷設備用,冬天對建筑物供熱。因為冬夏對地下管群換熱器的需求各不相同,夏日需求管距離較小,有利于蓄存高品質冷量;冬天為了滿意供暖需求,防止時刻久出力缺乏表象,就需求較大的管距離。本文即對準這種狀況,冬夏選用不一樣連管辦法組成不一樣的地下管群,模仿剖析地下管群換熱器的傳熱機制。冬夏選用的地下管群換熱器模型見圖1示,夏日選用37根管聯供,夜間lOh蓄冷,下降土壤溫度;白日8h釋冷,供應建筑物空調運用,6h停機。冬天選用圖中所示的1、20、23、26、29、32、35共7根管進行10h供暖.依據文獻可知,長江中下流區域地下水位線較高,其間上海區域的地下水位線均勻為1.0-1.5沒.因而本文在核算有滲流狀況時將地下群換熱器思考成全部坐落飽滿區內.  
    2 熱滲耦合效果下的傳熱模型
    地下管群換熱器的傳熱是一個雜亂的非穩態傳熱進程,此進程所觸及的幾許條件和物理條件很雜亂,一般需求進行較長時刻的運算。為便于剖析,須對問題做以下必要 的簡化 將土壤當作一個均勻的、各向同性的多孑L介質,疏忽質量力;不思考熱輻射影響和粘性耗散;流體與固體霎時到達局部熱平衡,即 (,Y,t)=T( ,Y,£)=T( ,Y,t),其間,下標f和s別離對應于流體和固體。將兩管腳傳熱相互影響的筆直u型管換熱器等效為一當量直徑的單管。
    在非等溫滲流中,一個物質體系或空間體積內含有固體和流體兩局部,在研討實踐非等溫滲流時要把二者結合起來構成一致的能量方程,令土壤的孑L隙率為 ,則單相流體非等溫滲流的能量方程為:
                   
    其間:(pc。)。——多孔介質(包羅水)的總熱容;后 總熱導率;q ——總內熱源; ——熱容比;口 ——總熱擴散系數。
    對準體系夏日蓄冷、釋冷運轉進程中存在的固液相變問題,本文選用了固相增量法。在土壤凍融相變進程中存在著凍住區、未凍住區及兩相含糊區,該兩相含糊區約束在凍住溫度 的等溫界面和凍住溫度 .的等溫界面之間,因而界說無因次量一固相率 為土壤凍融相變含糊區中凍土所占的質量成分,即當. =0時,土壤處于未凍住狀況;當.廠目=l時處于凍住狀況;而當0<廠目<1時,土壤處于兩相含糊區 j。一起假定固相率的添加(或減小)與土壤水相變潛熱的開釋(或吸收)量成正比,而且在土壤的凍融相變溫度區間 ∈[ , ]內,土壤水的相變潛熱是均勻地與溫度呈線性地開釋與吸收,如圖2所示。
      若是別離對土壤與盤管溫度進行求解,則二者接壤面上的鴻溝條件應包羅溫度及暖流密度兩類條件。盤管內壁與流體接壤面相同也遭到流體與壁面之間相互效果的制約,這種熱鴻溝條件是由熱量交流進程動態的加以決議而不能預先給定,對準這種耦合傳熱問題,可以先假定接壤面上的溫度散布,對其間一個區域進行求解,得出耦合鴻溝上的局部暖流密度和溫度,然后再求解另一區域,得出界面上新的溫度散布,再以此為根底從頭核算第一個區域,重復核算以致收斂。本文為了防止這種重復迭代核算,選用了整場離散、整場求解辦法,界面上的當量熱擴散系數選用諧和均勻法 ]。因為不一樣介質相接壤面兩邊物質的熱容不持平,為了滿意耦合界面上暖流接連條件,選用“虛擬密度法”處理這個問題_8 J。由上述得到地下埋管換熱器非穩態通用操控方程為:   
    則上式與(9)、(10)、(11)、一起構成地下埋管換熱器非穩態操控方程,其間,角標i為s, ,P,別離對應于土壤、管內流體和盤管;坐標 i為 或 ,別離對應于土壤或管內流體。公式(12)為體系運轉進程中的操控方程,當體系停運時,管內流體處于停止狀況,流體與管壁間以導熱的辦法進行傳熱,此刻管內流體的能量平衡方程為:
    則上式與(5)、(7)、(9)、(10)、(11)一起構成地下埋管換熱器停運時的操控方程。
    式中, ——土壤干基含水量,kg/kg;“ ——管內流體流速,m/s; ——水的凝聚潛熱,J/kg,H=334560J/kg;7"o——土壤、盤管及管內流體的初始溫度,oC;Ti——各介質的溫度,oC;Tj ——盤管進口水溫,oC;I。d——土壤干密度,kg/m3; 。——盤管導熱系數,k m3;I。i,(c )i——介質i的密度k m3及比熱J/(kg·oC); ,Cp——土壤兩相區中冰水混合物的導熱系數W/(m·oC)及比熱J/(kg·c【=)。
    本文對準地下埋管換熱器管群進行模仿剖析,選用整場模仿進行全體求解的辦法。對準地下埋管換熱器物理模型的雜亂性,選用非結構化網格進行區分,有限容積法對方程離散,Gauss.Seidel點迭代法進行求解。
    為了比擬有滲流與無滲流兩種狀況,本文別離對冬天供熱工況、夏天空調工況別離進行核算剖析,關于冬天供熱工況,體系接連運轉60d、每天供暖10h;關于夏天工況,選用了15d預蓄冷,然后正常運轉90d、每天10h蓄冷、8h釋冷、6h停機的運轉形式。
    3 地下管群換熱器模仿剖析
    3.1 滲流對體系運轉特性的影響
    關于冬、夏兩種工況,核算時選用的各項參數見表1。
    3.1.1 有滲流與無滲流狀況下的土壤溫度場
    有滲流的狀況下,地下埋管換熱器的傳熱辦法有兩種:一是多孔介質骨架和孔隙中地下水的導熱;二是地下水滲流發作的水平對流換熱。圖3a、圖3b別離給出了夏日工況下能否有滲流兩種土壤狀況下前期預蓄冷第15天第24小時的土壤溫度場。從圖中可以看出,無滲流時的土壤溫度場是近于中心對稱的,但因為滲流效果,有滲流的土壤溫度場將發作變形,將蓄進的冷量都集合到水流下流。但無論哪種狀況,預蓄冷后局部盤管周圍的土壤均現已結冰,愈加有利于這種夜蓄日供體系的運轉。圖3c、圖3d描繪了冬天工況下正常運轉第6o天的土壤溫度場。相同可以看出,無滲流狀況下的土壤溫度場是中心對稱的,有滲流狀況下的土壤溫度場發作變形,而且有滲流時的盤管周圍土壤溫度相對較高,更有利于冬天供熱工況。
    3.1.2 滲流對盤管換熱量及出水溫度的影響
    1)夏日工況成果剖析
    a)有無滲流時盤管的換熱狀況
    圖4a給出了夏日空調工況下有無滲流時地下埋管換熱器的逐日蓄冷量、逐日釋冷量狀況,從圖中可以看出,兩種狀況下的日蓄冷量在前期預蓄冷時刻都逐步下降,進入正常運轉時刻后,初期逐日蓄冷量都逐步添加,而逐日釋冷量都逐步很小,但很快到達平衡。此外,因為在有滲流狀況下存在的地下水對流換熱添加了盤管的冷量丟失,所以從圖4a中也可以看出,埋在有滲流土壤中的盤管日蓄冷量高于埋在無滲流土壤中的狀況,而前者的日釋冷量卻低于后者,因而有滲流土壤中的盤管日釋冷率(日釋冷量/日蓄冷量)僅到達62.25%,而無滲流土壤中的盤管日釋冷率能到達89.10%,是前者的1.43倍。圖4b給出了夏日空調工況下有無滲流時地下埋管換熱器運轉到達穩態后的盤管出水溫度。兩種狀況下的盤管出水溫度跟著運轉時刻添加都逐步升高,有滲流狀況下的盤管出水溫度從3.6l℃升高到8.19℃ ,增幅到達127%;無滲流狀況下的盤管出水溫度從2.73℃升高到7.74℃,增幅到達183%。而且,有滲流狀況下的盤管出水溫度均高于無滲流狀況下的溫度值。
    由此可見,若地下埋管換熱器埋在有滲流的土壤中而未思考滲流的影響會帶來很大的差錯,因而在地下埋管換熱器的描繪核算中應依據土壤狀況區別對待。
    b)有無滲流時盤管方位對換熱的影響
    在夏日工況下,為了蓄冷、釋冷進程能杰出運轉,因而地下埋管換熱器管群的37根地下埋管距離很小,為0.6m,而從圖5可以看出,地下盤管因為方位不一樣作業才能亦不一樣。關于無滲流工況來說,盤管的作業才能是近于中心對稱的,中心和最內一圈盤管的釋冷率幾近持平,約為1.075。這首要是因為在管群蓄冷進程中,內側盤管冷丟失相關于外側盤管而言較小,所以內側盤管的日蓄冷量相對較低,而日釋冷量卻相對較高;中心一圈盤管的日釋冷率均勻為O.981,而最外一囤盤管的日釋冷率均勻為0.773,最外圈的盤管的日釋冷率偏低首要是因為外圈盤管的外側都是原狀土壤,所以冷丟失相對而言較大形成的。此外,關于有滲流工況來說,因為地下水活動的存在,水流下流的節點日釋冷率較高。例如:3個峰值都呈如今下流節點6、7、l6、17、18、33、34處。由此可以看出,地下水活動將蓄冷量逐步轉移到下流區域,因而咱們也可以思考在夏日選用不一樣的聯管辦法以供應不一樣用戶的需求。        
    但總的來說,關于這種新的夏日運轉辦法,即夜蓄日供辦法來說,無論盤管埋在有滲流的土壤中仍是無滲流的土壤中,夏日運轉時日釋冷率都較高,但有滲流狀況下的地下埋管換熱器在夏日空調工況下的運轉狀況要劣于無滲流狀況。
    2)冬天工況成果剖析
    關于冬天供熱工況而言,地下水活動增強了盤管周圍土壤的恢復才能,因而相關于無滲流土壤會有較強的供熱才能。圖6給出了有無滲流狀況下盤管的逐日取熱量,可以顯著看出,有滲流時分的盤管日取熱量較高,而且更易到達穩態供熱工況。圖7給出了兩種土壤狀況下的盤管出水溫度狀況。無滲流土壤中的盤管均勻出水溫度從7.3l降到6.42,降幅為12.2%;有滲流土壤中的盤管均勻出水溫度從7.50降到6.78,降幅為9.6%;而且,有滲流土壤中的盤管均勻出水溫度均勻比無滲流土壤中的盤管均勻出水溫度高3.83%。
    3.2 滲流速度對體系運轉特性的影響
    關于冬、夏兩種工況,核算時選用的各項參數見表1。別離挑選15m/a、30m/a、60m/a三種滲流速度進行比照剖析。
    3.2.1 夏日工況成果剖析 
    跟著滲流速度的添加,地下水活動帶來的冷丟失逐步增大。從圖8中可以看出,與滲流速度為15m/a比較,當滲流速度添加到30m/a時,日蓄冷量添加了4.3%、日釋冷量下降了8.8%;當滲流速度添加到60I/1//t時,日蓄冷量添加了l4.96%、日釋冷量下降了l8.4o%。因而,關于這種新的夏日運轉辦法,實踐使用中應思考盡量將地下埋管換熱器埋在滲流速度低的土壤中,以期杰出運轉。    
    圖9表明了3種滲流速度狀況下的盤管出水溫度狀況。盤管出水溫度跟著運轉時刻的延伸而逐步升高,滲流速度為15m/a狀況下的盤管均勻出水溫度為6.43cC,而當滲流速度增大到30m/a、60rrda時,盤管均勻出水溫度別離升高了0.49oC、1.16oC,增幅別離到達了7.62%、18.30%。
    3.2.2 冬天工況成果剖析
    從圖l0可以看出,跟著地下水流速的添加盤管的逐日取熱量逐步添加。而且滲流速度越高,體系到達穩態的時刻越短,因而將地下埋管換熱器埋在滲流速度大的土壤中可以增強其在冬天運轉時的換熱才能,更有利于實踐工程。        
    4 結 論
    地下埋管換熱器的傳熱是一個雜亂的、非穩態的傳熱進程,本文依據熱滲聯合效果下的傳熱模型,選用整場離散、全體求解辦法求得地下埋管換熱器、管內流體及周圍土壤的數值解,深化剖析了滲流對地下埋管換熱器傳熱的影響。顛末剖析可知,關于夏日蓄冷、釋冷的運轉辦法,地下水活動添加了體系冷丟失,對蓄冷晦氣;而關于冬天工況,滲流增強了地下埋管換熱器周圍土壤的恢復才能,對地下埋管的吸熱非常有利,因而傳統的地下埋管熱泵體系宜埋在有滲流的土壤中。而土壤蓄冷與土壤耦合熱泵體系首要合適使用在空調負荷為主、采暖負荷為輔的區域,因而合適于在地下水流速較小或無滲流的土壤中使用,而且可以依據建筑物的實踐熱負荷在冬夏挑選不一樣的連管辦法。
    若是盤管埋在有滲流的土壤中,而在描繪核算中沒有思考滲流的影響,則會帶來必定的誤差,形成盤管容量過大或過小。此外,滲流對這種新體系的冬夏運轉工況影響不一樣,因而實踐使用中還應注意到滲流的不一樣影響。
    實踐上筆直地下埋管換熱器穿過不一樣的地質層,包羅非飽滿區和飽滿區,對此咱們應該分層予以思考,因而在后續作業中將進一步對不一樣的地下水位線狀況進行剖析。換熱機組,換熱器,熱交換器,汽水混合器,乏汽回收,凝結水回收,噴射器,汽水換熱器
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