Simulation Analysis of Solar-Ground Source Heat Pump System by Fluent Software
王丹① WANG Dan；陈科② CHEN Ke
（①重庆能源职业学院，重庆 400041；②重庆杨歌机电设备安装工程有限公司，重庆 400041）
（①Chongqing Energy College，Chongqing 400041，China；
②Chongqing Yangge Electrical and Mechanical Equipment Installation Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 400041，China）
摘要：太阳能-地源热泵系统是一种复合热源的热泵系统，是太阳能和土壤源两种热源结合的综合利用，可以弥补各自的局限性，提高可再生资源的利用率。本文针对采用闭式垂直U型地埋管换热器的太阳能-土壤源热泵系统运行性能进行模拟，因其具有适用范围广，结构简单，施工方便等优点，通过对地源热泵系统供热制冷的换热情况进行分析，为地源热泵系工程上设计、施工提供了理论参考依据。
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.
关键词：太阳能-地源热泵；换热模拟；土壤场温度模拟
Key words: solar -ground source heat pump；heat exchange simulation；soil field temperature simulation
中图分类号：TU832.1+7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）26-0164-02
1 太阳能-地源热泵系统概述
地源热泵系统具有高效节能、环保效益显著、运行可靠、维护方便、运维成本低等优点，具有系统连续运行由于地下埋管换热器在土壤中持续取热或放热，会使土壤温度周期性失衡，热泵机组COP值低，使制冷或供暖空间达不到设定值，增加系统能耗，土壤导热系数小，换热强度弱，相同负荷情况下，需要换热面积大，地下埋管用量多，需要占更多的地下空间，经济性差等缺点。太阳能具有清洁能源、直接利用开发，便于采集、储存巨大、用之不竭、等优点，具有分散性、不可靠、不稳定、间歇性等缺点。因此，提出了太阳能-地源热泵系统将太阳能和土壤源两种热源结合的综合利用，可以弥补各自的局限不足，提高可再生资源的利用率[1]。
太阳能-地源热泵供暖系统主要有4种运行模式，分别为：土壤蓄热模式、太阳能直接供暖模式、太阳能热泵供暖模式、地源热泵供暖模式[2]-[4]。
2 冬、夏两季工况的换热模拟分析
本文使用FLUENT的前处理软件也是专业的几何模型建立软件GAMBIT建立U型地埋管换热器传热几何模型[3]。GAMBIT以绘图方式输入模型的几何形状，本模型包括的几何体有U型地埋管换热器内的水、U型地埋管换热器、回填土和土壤[4]-[5]。
几何模型为钻孔深度为60m，土壤半径取3m，U型地埋管是外径32mm，壁厚3mm的高密度聚乙烯管，U型地埋管两管腿中心距为120mm，钻孔直径为200mm。模拟冬季工况时，U型地埋管换热器进口水温取为4℃，土壤半径取为3m，土壤远边界温度取18℃，井底部的土壤温度取18℃，U型地埋管换热器进口速度为0.6m/s。模拟夏季工况时，进口水温设为35℃，流速0.6m/s，其他参数与冬季设定一致。水的运动粘度为：0.732×10-6m2/s,雷诺数为：Red=5306，湍流强度为：I=5.479％，水力直径为32-2*3=26mm，模拟开始时，把时间步设为1s，随着温度场变化逐渐缓慢，慢慢加大时间步长。模拟时间为一周。模拟的结果如图1、图2、图3所示。
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从图1、图2、图3可以看出，夏、冬两个季节单位管长换热量的变化趋势是一样的，都是在前20h内下单位管长换热量也是在开始阶段单位管长换热量迅速增加，增加到大约63W/m时有开始迅速下降。在大约运行时间超过20h之后，开始缓慢下降并趋向于平缓。前几小时内迅速升高，接着迅速下降并趋向于平稳。60h后，夏季工况单位管长换热量稳定在30W/m左右，冬季工况的单位管长换热量稳定在23W/m左右。总体上，夏季工况单位管长的换热量要比冬季工况的单位管长换热量稍大一点。这是由于夏季水温和土壤温度之间的温差比冬季水温与土壤温度之间的温差大造成的。
3 冬、夏季连续工况下土壤场温度模拟分析
由于与U型管换热，土壤与回填土的温度将随时间不断变化，为了得到土壤温度受U型地埋管换热器换热影响的明显结果，研究冬、夏两季工况下热泵连续运行三月（90天）后，土壤温度的分布。为了方便表达，径向以r表示，单位m，它们的径向坐标分别为r=0.1m，0.6m，1.1m，1.6m。由于上章模拟时间比较短，只有管子周围的土壤有明显的温度变化。为了得到地源在长期运行时间情况下，土壤场得温度变化，主要模拟地源热泵在连续运行3个月后的土壤温度变化。采用前面的几何模型。非稳态模拟，运行时间3个月，模拟结果如图4所示，可以看出，在冬季工况下，系统运行3个月之后，土壤温度场有了明显的变化，靠近U型地埋管处土壤温度低，从中心到土壤场外围，温度逐渐变大。这说明靠近U型地埋管附近的土壤受换热的影响比较大，时间比较长，温度下降的比较厉害。随着半径的增大，热阻增大，并且受影响的土壤体积变大，土壤温度变化变小。随着运行时间的延续，水从土壤中带走更多的热量，将会有更多的土壤受到换热影响，从而引起土壤温度下降。
和冬季运行情况不一样的是，系统夏季运行时，主要是向土壤中释放热量，取进口温度35℃。模型和其它边界条件不变，模拟结果如图4所示，可以看出，在夏季工况运行下，土壤场温度分布呈从中心到边界温度逐渐降低。这是因为U型地埋管中水的温度高，水通过管壁和土壤进行热交换，将热量排放到土壤中，土壤由于吸收到了热量温度上升，随着系统运行时间的增加，土壤中心处的温度不断上升，受影响的土壤半径逐渐变大，越来越多的土壤受到影响。
4 小结
通过Fluent软件分别模拟了冬、夏季工况下地源热泵机组连续运行1周进、出口温度、填土温度分布，得到：在冬、夏工况下，单位管长换热量随系统运行时间的变化趋势是一样的，机组运行时，开始0-8h换热量迅速增加，之后开始下降，且下降的趋势是由快到慢，运行时间到1周时，换热量变化已经很小，且逐步趋向于平稳。出口温度都是在运行60h后接近于平稳[2]。
通过模拟分析冬、夏两季工况下热泵连续运行三月（90天）后，土壤温度的分布情况，得到：土壤温度在竖直方向、周向上是不随深度而变化的，在距管井中心较近的地方受U型管管脚温差的影响而有所变化，但随着离管井中心距离的增加，土壤温度场在周向上变成了一个个以管井中心为轴的同心圆等温线。沿径向土壤的温度变化较大，且随着半径的增加，温度梯度变小[5]。
由于太阳能集热器与土壤地埋管换热联合运行过程是一个比较复杂的传热、传质过程，涉及的因素多。本文简化了几何模型，且个人能力有限，因此下一步可考虑间歇运行工况下的换热规律，考虑处在管群中的换热器之间的相互干扰，考虑不同换热器形式之间的对比分析等方面进行更为准确和详细的研究和探讨。
参考文献：
[1]杨卫波，施明恒，董华.太阳能土壤源热泵系统联合供暖运行模式的探讨[J].暖通空调，2005，35（8）：25-31.
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[5]黄俊惠.地源热泵U型管地下换热器的数值模拟与分析[D].北京：中国农业大学硕士学位论文，2005.
[6]王天舒.节能型太阳能空气源热泵多功能机研究[J].价值工程，2018，37（07）：131-133. |
