土壤源热泵系统地下温度场的热平衡模拟分析

2012-11-06宋智军

山西建筑 2012年36期

宋智军

(大同市规划设计院，山西大同 037006)

1 项目简介

成都来福士广场位于成都市人民南路四段3号(原四川省博物馆地块)，整个建筑群包括办公楼2座、酒店式服务公寓2座、五星级酒店1座连4层裙楼零售商业及4层地下室，总建筑面积约31万m2，围护结构负荷新型节能建筑的要求，建筑物的冷热负荷明显低于传统的老式建筑。

成都来福士广场的部分建筑采用土壤源热泵作为建筑的冷热源系统，满足建筑群夏季供冷和冬季供热的需要;土壤源热泵系统的供热量为3 000 kW;土壤源热泵系统的供冷量为3 500 kW;地埋管间距6m，深100m，总孔数580个;现对地下温度场的热平衡进行20年的模拟计算，以确定土壤源热泵系统对地下温度场的影响情况。

2 软件模拟计算土壤温度场

由于时间限制，对整个埋管区域进行模拟计算是不现实的，现选择有代表性的7×4个埋管区域进行模拟计算，由局部温度场推测整个温度场的变化情况。

2.1 数值计算

针对土壤温度场的计算模型采用二维无限大矩形区域内非稳态热传导模型，基本描述如下:

本次计算是基于Fluent6.2软件的Transient Solver进行的，其中边界采用了UDF(User Defined Function)方法，计算过程中物性参数情况采用热响应测试报告中的相关数据，夏季地埋管的每延米排热量70W/延米，冬季地埋管的每延米取热量为40W/延米。

本次数值计算采用四边形网格和三角形网格相结合的混合网格，网格节点数目大约为978 250个，整个计算区域的尺寸为46×28，单位为m，其中埋管数为7×4个。图1和图2分别显示了整个模拟区域内网格划分以及双U形埋地换热器周围网格划分的详细情况。

计算结果分为如下两个方面进行模拟分析:方案一(本项目设计工况):土壤源热泵系统承担12月～3月的冬季热负荷，地下温度场恢复3个月，然后承担最热月7月～9月3个月的夏季冷负荷，并连续运行3个月;方案二:土壤源热泵系统承担12月～3月冬季热负荷，接着土壤源热泵系统以制冷模式运行，承担4月～6月3个月的夏季冷负荷，其余时间为地下温度场的恢复期。两种模式下均模拟计算20年。

图1 整个模拟区域计算网格划分图

图2 双U形埋管换热器周围细分网格

2.2 拟计算结果及分析

2.2.1 方案一地下土壤热平衡分析

在此模拟计算过程中，冬季土壤源热泵系统向土壤取热结束后，恢复3个月，然后以制冷模式运行向土壤排热3个月，进行20年的模拟计算。

图3～图6反映了土壤源系统按照方案一间歇运行20年期间，整个模拟区域土壤温度场的变化情况(单位K)。通过20年运行的温度云图，可以清楚的看到整个地温场较原始温度场略有升高，最大值约为1.1℃。在这种运行模式下，地下温度场基本上稳定在一个合适的范围内，这个变化范围是合理的。就平均情况而言(图7，在距埋管1 m，2 m和3 m不同距离处土壤的平均温度变化情况)，土壤源热泵项目在此种方式下运行将会比较合理，不会破坏地下温度场的平衡。

图3 第1年末模拟区域土壤的温度场（一）

图4 第5年末模拟区域土壤的温度场

2.2.2 方案二地下土壤热平衡分析

在此模拟计算过程中，冬季土壤源热泵系统向土壤取热结束后，立即以制冷模式运行向土壤排热，其余时间为土壤温度场的恢复期。同样进行20年的模拟计算。

图8～图10反映了土壤源系统按照方案二连续运行20年期间，整个模拟区域土壤温度场的变化情况(单位K)。通过20年运行的温度云图，可以清楚的看到整个地温场较原始温度场有较大升高，最大值约为6℃。在这种运行模式下，土壤温度场的升温较大，对于土壤源热泵系统的运行不是很合理。图11反映了在距埋管1 m，2 m和3 m不同距离处土壤20年的平均温度变化情况。