基于变负荷的地源热泵土壤温度模拟研究

【摘要】：中国是全球能耗第二大的国家,其中建筑能耗以每年超过10%的速度增加,现在已经占到我国社会总能耗的25–40%,其中以暖通空调系统能耗所占比重最高。地源热泵系统是现阶段性价比较高的空调方式,其中垂直埋管换热器在大规模地源热泵系统中应用最为广泛。 本文针对垂直埋管换热器的传热特点,建立了地下埋管换热器和土壤的非稳态传热模型,并验证了模型的正确性。利用Fluent模拟了土壤源热泵系统连续运行、启停比为1:1和启停比为1:2模式下换热器周围土壤温度分布情况。模拟结果表明在与埋管径向距离相同的情况下垂直方向土壤温度变化范围非常小。在水平方向上靠近地埋管换热器区域的土壤温度受热干扰剧烈,水平半径距离0.5m处热干扰系数达到0.92,水平半径距离2m处热干扰系数为0.8。而在负荷季节结束之后由于土壤热惯性的影响各处土壤温度的恢复情况随水平径向距离的增加而出现滞后。水平半径距离0.5m处土壤温度在恢复期开始即开始下降,而水平半径距离1.5、2m处土壤温度在恢复期开始的前25天温度还出去缓慢上升状态,之后温度才开始下降。热惯性在距离钻孔1.5~2m之间开始起明显作用。在此基础上探讨了土壤热作用范围问题,拟合了热作用半径预测公式。同时探讨了两种间歇运行模式下地埋管换热器的换热性能。通过Energyplus软件对天津一实际建筑的全年能耗进行了模拟,以此建筑负荷为基础对管间距为4.5m、5m、5.5m和6m的情况进行了分析,结果表明管间距大于5.5m时,机组能够在较高的效率下长期运行,因此推荐钻孔最小间距以5.5m-6m为宜。 最后采用技术经济分析的方法,以投资费用和运行费用之和为目标函数,对该建筑应用地埋管地源热泵系统进行了经济性分析。同时应用敏感性分析的方法对地埋管地源热泵系统选择过程中的不确定因素进行了探讨。 通过本文的研究,期待能够为地埋管地源热泵的设计、运行提供一些参考。