土壤源熱泵系統(tǒng)地下溫度場的熱平衡模擬分析

宋智軍

(大同市規(guī)劃設(shè)計院，山西大同 037006)

1 項目簡介

成都來福士廣場位于成都市人民南路四段3號(原四川省博物館地塊)，整個建筑群包括辦公樓2座、酒店式服務(wù)公寓2座、五星級酒店1座連4層裙樓零售商業(yè)及4層地下室，總建筑面積約31萬m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷新型節(jié)能建筑的要求，建筑物的冷熱負(fù)荷明顯低于傳統(tǒng)的老式建筑。

成都來福士廣場的部分建筑采用土壤源熱泵作為建筑的冷熱源系統(tǒng)，滿足建筑群夏季供冷和冬季供熱的需要;土壤源熱泵系統(tǒng)的供熱量為3 000 kW;土壤源熱泵系統(tǒng)的供冷量為3 500 kW;地埋管間距6m，深100m，總孔數(shù)580個;現(xiàn)對地下溫度場的熱平衡進(jìn)行20年的模擬計算，以確定土壤源熱泵系統(tǒng)對地下溫度場的影響情況。

2 軟件模擬計算土壤溫度場

由于時間限制，對整個埋管區(qū)域進(jìn)行模擬計算是不現(xiàn)實的，現(xiàn)選擇有代表性的7×4個埋管區(qū)域進(jìn)行模擬計算，由局部溫度場推測整個溫度場的變化情況。

2.1 數(shù)值計算

針對土壤溫度場的計算模型采用二維無限大矩形區(qū)域內(nèi)非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，基本描述如下:

本次計算是基于Fluent6.2軟件的Transient Solver進(jìn)行的，其中邊界采用了UDF(User Defined Function)方法，計算過程中物性參數(shù)情況采用熱響應(yīng)測試報告中的相關(guān)數(shù)據(jù)，夏季地埋管的每延米排熱量70W/延米，冬季地埋管的每延米取熱量為40W/延米。

本次數(shù)值計算采用四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)目大約為978 250個，整個計算區(qū)域的尺寸為46×28，單位為m，其中埋管數(shù)為7×4個。圖1和圖2分別顯示了整個模擬區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格劃分以及雙U形埋地?fù)Q熱器周圍網(wǎng)格劃分的詳細(xì)情況。

計算結(jié)果分為如下兩個方面進(jìn)行模擬分析:方案一(本項目設(shè)計工況):土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)12月～3月的冬季熱負(fù)荷，地下溫度場恢復(fù)3個月，然后承擔(dān)最熱月7月～9月3個月的夏季冷負(fù)荷，并連續(xù)運行3個月;方案二:土壤源熱泵系統(tǒng)承擔(dān)12月～3月冬季熱負(fù)荷，接著土壤源熱泵系統(tǒng)以制冷模式運行，承擔(dān)4月～6月3個月的夏季冷負(fù)荷，其余時間為地下溫度場的恢復(fù)期。兩種模式下均模擬計算20年。

圖1 整個模擬區(qū)域計算網(wǎng)格劃分圖

圖2 雙U形埋管換熱器周圍細(xì)分網(wǎng)格

2.2 擬計算結(jié)果及分析

2.2.1 方案一地下土壤熱平衡分析

在此模擬計算過程中，冬季土壤源熱泵系統(tǒng)向土壤取熱結(jié)束后，恢復(fù)3個月，然后以制冷模式運行向土壤排熱3個月，進(jìn)行20年的模擬計算。

圖3～圖6反映了土壤源系統(tǒng)按照方案一間歇運行20年期間，整個模擬區(qū)域土壤溫度場的變化情況(單位K)。通過20年運行的溫度云圖，可以清楚的看到整個地溫場較原始溫度場略有升高，最大值約為1.1℃。在這種運行模式下，地下溫度場基本上穩(wěn)定在一個合適的范圍內(nèi)，這個變化范圍是合理的。就平均情況而言(圖7，在距埋管1 m，2 m和3 m不同距離處土壤的平均溫度變化情況)，土壤源熱泵項目在此種方式下運行將會比較合理，不會破壞地下溫度場的平衡。

圖3 第1年末模擬區(qū)域土壤的溫度場（一）

圖4 第5年末模擬區(qū)域土壤的溫度場

2.2.2 方案二地下土壤熱平衡分析

在此模擬計算過程中，冬季土壤源熱泵系統(tǒng)向土壤取熱結(jié)束后，立即以制冷模式運行向土壤排熱，其余時間為土壤溫度場的恢復(fù)期。同樣進(jìn)行20年的模擬計算。

圖8～圖10反映了土壤源系統(tǒng)按照方案二連續(xù)運行20年期間，整個模擬區(qū)域土壤溫度場的變化情況(單位K)。通過20年運行的溫度云圖，可以清楚的看到整個地溫場較原始溫度場有較大升高，最大值約為6℃。在這種運行模式下，土壤溫度場的升溫較大，對于土壤源熱泵系統(tǒng)的運行不是很合理。圖11反映了在距埋管1 m，2 m和3 m不同距離處土壤20年的平均溫度變化情況。

圖5 第10年末模擬區(qū)域土壤的溫度場（一）

圖6 第20年末模擬區(qū)域土壤的溫度場（一）

通過兩種方案的對比可以清楚的看到，按照方案一的運行模式，地下溫度場達(dá)到了較好的平衡，對于土壤源熱泵的長期運行是非常有利的，而且對地下溫度的影響也是可以接受的，不會造成地下熱污染。

3 結(jié)論和建議

3.1 結(jié)論

通過上述模擬計算分析，可以得到以下結(jié)論:Fluent軟件逐時模擬表明，在土壤源熱泵系統(tǒng)的長期運行中，在取熱或者排熱結(jié)束后給土壤一定的恢復(fù)時間是非常有必要的。

圖7 20年運行期間模擬區(qū)域土壤溫度變化情況（一）

圖8 第1年末模擬區(qū)域土壤的溫度場（二）

圖9 第10年末模擬區(qū)域土壤的溫度場（二）

圖10 第20年末模擬區(qū)域土壤的溫度場（二）

圖11 20年運行期間模擬區(qū)域土壤溫度變化情況（二）

3.2 建議

土壤源熱泵系統(tǒng)的運行最好采取間歇運行模式，白天運行，夜間停機，以及在過渡季節(jié)停機的運行方式，以保證地下溫度場的恢復(fù)。這樣的運行模式對于地下土壤的熱平衡是非常有利的，可以提高機組效率，同時也可以保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。