太阳能耦合地源热泵系统地埋管周围温度场变化分析--中国期刊网

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太阳能耦合地源热泵系统地埋管周围温度场变化分析

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：张顺1 李坤坤2 康琳3 鞍钢3 支鹏羽4 马坤茹

[导读] 摘要：太阳能耦合地源热泵系统通过地下埋管将一年中春夏秋三个季度的太阳能储存于地下土壤，冬季提取土壤热量用于供热，此系统重复利用。

        1 保定市绿色建筑发展中心河北保定 071051；
        2 中航天建设工程有限公司北京 101400 ；
        3 中电钢构股份有限公司北京 100142；
        4 河北科技大学建筑工程学院河北石家庄   050018
        摘要：太阳能耦合地源热泵系统通过地下埋管将一年中春夏秋三个季度的太阳能储存于地下土壤，冬季提取土壤热量用于供热，此系统重复利用。利用Gambit软件建立地埋管模型，并定义相应的边界条件，模拟距离地埋管中心不同距离处不同深度测点温度，经过为期六年的数值模拟，最终得出距地埋管中心距相同时，随着深度的增加温度会逐渐降低；深度相同时，距地埋管中心越远温度越低。由于土壤热量的累积，每年蓄热及取热完成之后距离地埋管不同深度、不同间距的各测点温度都有所升高。本文的研究结论可为太阳能耦合地源热泵系统地埋管的实际应用提供理论参考。
        关键词：太阳能；跨季储能；地埋管；温度场；变化分析
        目前北方冬季采暖仍以燃煤为主，随着环境污染加重，人民生活水平的提高，需要清洁的供热方式替代传统的采暖方式，太阳能耦合地源热泵系统应运而生，系统中地埋管储能及温度场的变化分析研究较为重要，本文对其进行分析如下：
        一、太阳能耦合地源热泵系统
        该系统通过地埋管将春夏秋三个季度的太阳能储存到地下土壤，冬季提取土壤热量用于供热，每年重复此过程。该系统主要可以包括集热器、蓄热及热用户三部分，系统流程见图1。

          图1 太阳能耦合地源热泵系统流程图
        二、垂直U型管传热数学模型
        1.模型建立情况
        本文视垂直埋在地下的管子为一均匀线热源模型，假设沿线热源深度方向单位长度的散热量为一定值，即具有一固定的热流，将管子周围的大地看作是一个无限大的整体。建立埋管模型时参数选择见下表1：
                              表1 地埋管模型参数

        具体模型及网格划分情况见下图2：

                       图2 模型及网格划分情况
        本文地埋管周围蓄热体以粘土为例进行研究，计算过程中设置距地埋管不同距离不同深度的测点，以便对地埋管体系有更深入的研究，蓄热介质物性参数如下表2所示：
                      表2 不同蓄热介质物性参数

        2.数学模型建立
        （1）管内流体数学模型。
        K-ε数学模型的选择影响到运行结果的准确性，数值模拟中选用的数学模型为标准的K-ε湍流模型。模拟中解决湍流中的对流换热问题时.
        （2）线源模型土壤中的温度分布

        式中：
        t(r,τ)--土壤中任意一点的温度,℃；
        t0--大地初始温度；
        q1--为线热源提供的恒定热流,W/m；
        λ--土壤的导热系数,W/(m•K)；
        α--土壤的热扩散系数,m2/s。
        2.地下温度场达到稳定状态所需时间的确定
        非稳态传热的温度达到稳态温度的0.98倍时，即认为达到稳定状态，计算出达到稳态分布时所需要的时间，并模拟期间地下温度场的变化，得到不同时刻土壤内部温度场分布状况，由线性回归得到达到稳态所需时间的关系式：

        式中：F0为无量纲时间,F0=ατ/H2,α为热扩散系数；
        τ为系统达到稳态所需时间；
        H为管长；
        R为相对半径；
        R=r0/H,r0为管子半径。
        三、模拟结果分析
        系统加载UDF程序间歇性连续运行六年，完成对太阳能光照时间、流体流速以及温度的控制，为了结果合理且可行，在建立地埋管模型时做出了如下假设：假设回填土、土壤各部分均匀且热物性相同；埋管与回填材料、回填材料与土壤之间的接触热阻忽略不计，且认为回填材料和土壤内部的导热为纯导热；因地埋管与周围土壤由于进行热交换而引起的土壤中水分的迁移现象忽略不计，且认为土壤初始温度为土壤年平均温度等等；最终将得出的数据进行分析。
        模拟过程中在埋管周围设置不同的测点，横向测点距离地埋管中心距离分别为0.1m,和5.1m，纵向测点选取5m,10m和15m,最终根据每年取热完成后土壤温度情况分析温度场分布，具体数据见下图：

        图3 距离地埋管中心0.1m不同深度测点温度变化

        图4 距离地埋管中心5.1m不同深度测点温度变化
        由以上数据可知，当测点距离地埋管中心距离相同时，深度越深的测点每年取热完成之后温度越低，深度越浅的测点温度越高；深度相同时，距离埋管中心距离较近的测点每年取热完成之后温度变化幅度较小，并且由于土壤热量累积的原因，随着运行时间的延长，各测点温度都有所提高且逐渐升高。
        四、结论
        1）深度相同距离地埋管中心间距不同的测点，每年取热完成之后距地埋管中心越近土壤温度越高。
        2）距离地埋管中心间距相同深度不同的测点，每年取热完成之后深度越深的测点温度越低，深度越浅的测点温度越高。
        3）由于土壤热量累积原因，取热完成以后土壤温度逐年升高，本文研究结果对太阳能耦合地源热泵系统地地埋管的实际应用提供理论参考。
        参考文献：
        [1] 杨守留.利用浅层地热的度源热泵系统的施工[J]. 中国招标. 2016(39).
        [2] 刘春英.相变储热材料的封装优化及在寒区村镇中的应用效果[D]. 哈尔滨工业大学 2015.