吳 晅，路子業(yè)，劉 衛(wèi)，梁盼龍，田雪凱，金 光

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.儲運與建筑工程學(xué)院，中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

跨季節(jié)蓄熱型地源熱泵熱傳遞規(guī)律研究

吳 晅1，路子業(yè)1，劉 衛(wèi)1，梁盼龍1，田雪凱2，金 光1

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.儲運與建筑工程學(xué)院，中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

基于有限元分析法，建立了準(zhǔn)三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型。在試驗驗證的基礎(chǔ)上，分析了跨季節(jié)蓄熱型地源熱泵蓄熱過程中土壤溫度、單位井深換熱量、熱作用半徑隨熱泵運行時間的變化規(guī)律，討論了土壤結(jié)構(gòu)、入口水溫、入口質(zhì)量流量、熱泵運行模式等對土壤傳熱規(guī)律的影響，并研究了土壤熱平衡問題。結(jié)果表明：同一半徑不同深度處，土壤溫度增長幅度隨土壤熱擴(kuò)散率的增加而增大；土壤熱作用半徑隨熱泵運行時間及入口水溫的升高而增加，并逐漸趨于穩(wěn)定；間歇運行模式下，地埋管附近土壤溫度及換熱量均呈波動式變化，且當(dāng)徑向距離大于0.3 m時，與連續(xù)模式一致；在滿足換熱量的情況下，流體質(zhì)量流量不宜過大；系統(tǒng)運行一個周期(360 d)后土壤溫度基本可以恢復(fù)，且流體入口溫度不宜低于40 ℃。

地源熱泵；地埋管；熱作用半徑；運行模式；土壤熱平衡

土壤熱失衡是影響地源熱泵系統(tǒng)運行效率和壽命的主要因素，其產(chǎn)生的主要原因是熱泵在實際運行過程中，從土壤中取熱量與蓄熱量不相等，造成土壤溫度偏離初始溫度。土壤熱失衡在我國北方地區(qū)尤為突出，由于我國北方地區(qū)冬季熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于夏季冷負(fù)荷，熱泵長期運行導(dǎo)致土壤蓄、取熱量嚴(yán)重失衡，造成熱泵機(jī)組不能正常運行而失效[1～2]。

為了解決上述問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。楊衛(wèi)波等[3]提出熱泵間歇運行模式與太陽能蓄熱等方式緩解土壤熱失衡，其研究表明：合理的間歇運行模式有利于地埋管附近土壤溫度的恢復(fù)，太陽能蓄熱技術(shù)的應(yīng)用能很好地補(bǔ)償季節(jié)帶來的負(fù)荷差。李新國等[4]基于TRNSYS平臺對天津地區(qū)太陽能-地源熱泵系統(tǒng)蓄熱和取熱進(jìn)行了研究，得出太陽能跨季節(jié)蓄熱技術(shù)能夠提高冬季熱泵制熱系數(shù)，確保熱泵機(jī)組的正常運行。王芳等[5]提出將相變材料用于地源熱泵回填材料區(qū)域，得出相變材料不僅對地埋管換熱器換熱過程土壤溫度變化起到緩解作用，同時能夠保證系統(tǒng)的COP處于最佳范圍。Tian等[6]提出了AHC-GCHP(空氣源-地源熱泵系統(tǒng))混合系統(tǒng)，研究表明：該系統(tǒng)能有效解決土壤熱平衡問題和提高系統(tǒng)COP。Yang等[7]對影響土壤熱失衡問題的因素做了研究，得到土壤導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率越大，土壤熱失衡的程度越小，埋管的合理布置能夠有效緩解土壤熱堆積。You T等[8]提出熱虹吸(HCUT)方案及混合式地源熱泵系統(tǒng)(GSAHP)并在多個城市進(jìn)行測試，結(jié)果顯示該方案能夠緩解熱泵全年運行過程中的熱不平衡率，確保系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行，并且相對傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)能減少約15%的電能消耗。Rabin Y等[9]基于理論分析對相變材料PCM在熱泵換熱性能方面做了大量研究，得出PCM能夠緩解熱泵取熱速率提高土壤溫度恢復(fù)率。

然而，以上研究主要側(cè)重于熱泵系統(tǒng)運行效率、回填材料的研究及蓄熱型地源熱泵在特定地區(qū)的適宜性分析，而對跨季節(jié)蓄熱型地源熱泵蓄熱過程中地埋管傳熱規(guī)律的研究甚少，但這方面的研究對于跨季節(jié)蓄熱型地源熱泵在實際工程上的應(yīng)用至關(guān)重要。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)對于蓄熱型地源熱泵在內(nèi)蒙中部地區(qū)應(yīng)用的研究甚少。為此，本文針對內(nèi)蒙中部地區(qū)土壤蓄熱過程地埋管傳熱規(guī)律進(jìn)行了研究，討論了不同層土壤、入口水溫、入口質(zhì)量流量和熱泵運行模式等對豎直地埋管傳熱規(guī)律的影響，最后對蓄熱型地源熱泵全年運行(蓄熱-恢復(fù)-取熱)過程中土壤溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，旨在為土壤熱失衡問題的解決及蓄熱型地源熱泵在內(nèi)蒙中部地區(qū)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 豎直U型地埋管熱傳遞模型

1.1物理模型

由于豎直U型地埋管幾何形狀的特殊性和土壤(多孔介質(zhì))傳熱的復(fù)雜性，為研究結(jié)果能夠更加真實地反映地埋管實際傳熱規(guī)律，文中對模型做了以下假設(shè)：

(1)U型地埋管在鉆井內(nèi)對稱分布，同時地埋管換熱器與土壤間接觸緊密忽略接觸熱阻。

(2)土壤及地埋管均為均質(zhì)各向同性的材料，且熱物性參數(shù)不隨溫度的變化而改變。

(3)不考慮土壤中水分遷移引起的換熱量，認(rèn)為土壤中的傳熱為多孔介質(zhì)傳熱問題。

(4)由于鉆井較深(20～200 m)，而地埋管進(jìn)、出口溫差(3～5 ℃)較小，因此可以認(rèn)為單位微元管段流體對應(yīng)的同一層土壤溫度不變。

(5)基于假設(shè)4，忽略地埋管縱向傳熱，認(rèn)為熱量在土壤中的傳遞僅沿半徑方向。

(6)采用當(dāng)量直徑法，將豎直U型地埋管等效為一當(dāng)量直徑的單管[10]。

deq=(2dpoDU)1/2

(1)

式中：dep——當(dāng)量管直徑/m；

dpo——U型地埋管外徑/m；

DU——U型管管腳之間的距離/m。

豎直U型地埋管熱傳遞物理模型，見圖1。流體以入口溫度Tin進(jìn)入U型地埋管一端，與土壤發(fā)生充分熱交換后以溫度Tout流出，達(dá)到與周圍土壤換熱的目的。

圖1 豎直U型地埋管傳熱模型Fig.1 A transfer model of the buried vertical U-tube

1.2數(shù)學(xué)模型

1.2.1控制方程

本文基于有限元分析法，采用COMSOL軟件進(jìn)行模擬求解[11]。地埋管附近區(qū)域采用加密網(wǎng)格處理，離地埋管較遠(yuǎn)距離處采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格處理。管內(nèi)流體流動用到連續(xù)、動量方程計算管道中不可壓流體的速度、壓力[12]：

(2)

(3)

式中：u——等效管橫截面流體的平均速度/(m·s-1)；

ρ——流體的密度/(kg·m-3)；

p——壓力水頭/m。

dh=4A/Z

式中：Re——雷諾數(shù)；

μ——流體的黏性系數(shù)/(N·s·m-2)；

e——U型管內(nèi)表面粗糙系數(shù)/mm；

F——質(zhì)量力/(N·kg-1)；

dh——當(dāng)量管直徑/m；

A——當(dāng)量管橫截面積/m2；

Z——當(dāng)量管濕周/m。

管道內(nèi)流體傳熱過程所用到的熱平衡方程：

(4)

Qwall=(hZ)eff(Text-T)

式中：Cp——比熱容/(J·kg-1·℃-1)；

k——導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·℃-1)；

Q——廣義熱源/W；

Qwall——通過管壁的換熱量/W；

(hZ)eff——對流換熱系數(shù)h與管壁截面周長乘積的有效值；

Text——管壁外側(cè)土壤的溫度/ ℃。

式(4)右邊第二項為黏性剪切所產(chǎn)生的熱量。

土壤導(dǎo)熱微分方程[13]：

(5)

式中：ρe——多孔土壤的密度；

ce——多孔土壤的定壓比熱容；

λe——多孔土壤的導(dǎo)熱系數(shù)。

ρe=ερ1+(1-ε)ρs

(6)

ce=εc1+(1-ε)cs

(7)

λe=ελ1+(1-ε)λs

(8)

式中：ε——土壤的孔隙率，本文中源項S等于0。

1.2.2初始條件與邊界條件

(1)初始條件：

Tin=Tout=Tp=T0τ=0

(9)

(2)邊界條件：

①土壤無窮遠(yuǎn)處邊界條件為：

T(x，y，z，τ)=T0

(10)

②地表與底部土壤邊界條件為：

(11)

③流體入口處邊界條件為：

Tin(z,τ)|z=0=Tf(τ)

(12)

④U地埋管內(nèi)壁與流體的邊界條件為熱泵運行時：

(13)

熱泵停止時：

h=0

(14)

⑤管外壁與土壤接觸面處的邊界條件為：

Tp(z,τ)|r=rout=Ts(z,τ)|r=rout

(15)

⑥單位井深換熱量為：

(16)

式中：T0——土壤初始溫度/℃；

Tp——豎直U型地埋管初始溫度/℃；

Tf(τ)——不同時刻下地埋管入口水溫/℃；

h——管內(nèi)流體對流換熱系數(shù)/(W·m-2·℃-1)；

q——單位井深換熱量/(W·m-1)；

m——入口流體質(zhì)量流量/(kg·s-1)；

c——流體定壓比熱容/(J·kg-1·℃-1)；

ΔT——地埋管入、出口溫差/℃；

H——鉆井深度/m；

rin、rout——當(dāng)量直徑單管內(nèi)、外徑/m。

2 模型的試驗驗證

利用本文建立的模型對文獻(xiàn)[14]中的試驗進(jìn)行模擬，以驗證模型的準(zhǔn)確性。模擬值與試驗值的對比結(jié)果見圖2、3。圖2為熱泵連續(xù)蓄熱60天過程中，埋管進(jìn)、出口溫度隨運行時間的變化規(guī)律。

從圖2可以看出，地埋管進(jìn)口溫度模擬值保持不變，實驗測試值曲線圍繞模擬值上下做微小波動。地埋管出口溫度測試值變化范圍較大，且模擬值在熱泵運行5天后幾乎保持不變，分析可知試驗測試值波動較大是因為熱泵實際運行過程中受氣候條件等因素影響較大，而模擬值則因所建模型邊界條件較為理想，所以模擬值的規(guī)律性較好且波動浮動較小。

圖2 實驗測試值與模擬值對比結(jié)果Fig.2 Comparison of the calculated and experimental values

圖3分析了地埋管出口水溫實驗測試值與模擬值之間的相對誤差，可以看出相對誤差最大為0.14%，最小誤差為0.01%。在實際工程中以上誤差均在允許范圍以內(nèi)，因此本文所建傳熱模型能夠較好地研究熱泵實際運行過程中地埋管換熱器與土壤之間的傳熱規(guī)律。

圖3 誤差分析結(jié)果Fig.3 Comparison results of errors

3 不同因素對地埋傳熱規(guī)律的影響

3.1計算參數(shù)

表1和表2均為內(nèi)蒙中部地區(qū)某地源熱泵設(shè)計過程中所用到的技術(shù)參數(shù)及地質(zhì)參數(shù)資料[15]。

表1 計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters

3.2土壤結(jié)構(gòu)的影響

對內(nèi)蒙中部地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得出地表以下0～12 m土壤主要由砂質(zhì)、黏土和礫砂組成； 12～40 m由中粗砂和卵礫石層組成； 40～100 m以中粗砂、黏土和粉質(zhì)黏土為主。由于不同深度范圍之間的土壤熱物性參數(shù)差異較大，因此人為的將以上三種不同深度范圍之間的土壤分為上、中、下三層，物性參數(shù)見表2。

表2 地下土壤結(jié)構(gòu)Table 2 Subsoil structure

注：λ為導(dǎo)熱系數(shù)/(W·(m·℃)-1)；Cp為比熱容/(J·(kg·℃)-1)；ρ為密度/(kg·m-3)。

研究結(jié)果見圖4。從圖4(a)可以看出，徑向距離(r=0.5 m)一定時，不同層土壤溫度均隨運行時間的增加而升高，漲幅依次為中層、下層、上層。圖4 b反映了土壤結(jié)構(gòu)對熱作用半徑的影響規(guī)律，可以看出隨著運行時間的增加，熱作用半徑逐漸增加且趨于穩(wěn)定，中層最大，上層和下層次之。結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)可知，三層土壤導(dǎo)熱系數(shù)大小依次為，中層>上層>下層；而熱擴(kuò)散系數(shù)大小依次為中層(6.83×10-7m2/s)>下層(3.33×10-7m2/s)>上層(2.27×10-7m2/s)。因此，熱量在土壤中的傳遞速率大小取決于土壤熱擴(kuò)散系數(shù)的大小。在運行時間一定時，熱擴(kuò)散率越大熱量在土壤中的傳遞速率越快且熱作用半徑也較大，反之亦然。

圖4 土壤結(jié)構(gòu)對地埋管傳熱規(guī)律的影響Fig.4 Effects of subsoil structure on heat transfer characteristics of the buried pipe

3.3入口水溫的影響

為探究入口水溫對地埋管傳熱規(guī)律的影響。圖5 分別給出了不同入口水溫對地埋管出口溫度及單位井深換熱量的影響(質(zhì)量流量為1.13 kg/s)。從圖5可以看出，當(dāng)流體入口溫度為30、40、50和60 ℃時，地埋管散熱48 h后，對應(yīng)的出口溫度分別為29.38、39.05、48.78和58.46 ℃，相應(yīng)的入、出口溫差依次為0.62、0.95、1.22、1.54 ℃；其對應(yīng)的單位井深換熱量依次為29.4、43.7、57.9和73.1 W/m。

分析可知，流體入口溫度增加時，地埋管換熱器與周圍土壤之間的溫差增大溫度梯度增加，單位井深換熱量增加。因此，在流體入口質(zhì)量流量保持不變的情況下，增加入口水溫有利于地埋管入、出口溫差及單位井深換熱量的增加。綜上分析，在地埋管材質(zhì)溫度變形范圍內(nèi)，熱泵運行過程中，應(yīng)適當(dāng)提高流體入口溫度，從而達(dá)到增加單位井深換熱量，提升土壤蓄熱量的目的，這對于改善內(nèi)蒙地區(qū)土壤熱失衡問題具有重要意義。

圖5 埋管出口水溫和單位井深換熱量隨入口水溫的變化規(guī)律Fig.5 Dynamic changes in the outlet water temperature and the transfer rate per unit borehole depth with different inlet water temperatures

3.4質(zhì)量流量的影響

進(jìn)入地埋管中水的質(zhì)量流量不同，會對地埋管進(jìn)出口溫差及單位井深換熱產(chǎn)生影響。圖6 分別給出了地埋管進(jìn)出口溫差及單位井深換熱量隨熱泵運行時間的變化規(guī)律(入口水溫為40 ℃)。圖6(a)可以看出地埋管進(jìn)出口溫差隨流體質(zhì)量流量的增加而減小，這是由于流體質(zhì)量流量越小流動過程中在地埋管中停留的時間長與土壤發(fā)生熱交換較充分，溫度下降程度較大；而流體質(zhì)量流量越大時，在地埋管中停留的時間較短，且不能與地埋管周圍土壤充分換熱，因此溫差較小。

圖6(a)顯示了流體質(zhì)量流量為1.13、1.69、2.26和2.83 kg/s時，地埋管散熱48 h后對應(yīng)的進(jìn)出口溫差分別為0.92、0.61、0.47和0.38 ℃。從圖6(b)可以看出，三種不同質(zhì)量流量下地埋管散熱48 h后，單位井深換熱量基本相等。結(jié)合式(16)可知，單位井深換熱量主要取決于流體質(zhì)量流量和地埋管進(jìn)出溫差；而質(zhì)量流量小的情況下進(jìn)出口溫差較大,質(zhì)量流量大的情況下進(jìn)出口溫差較小，單位井深換熱量由二者共同決定。對圖6(b)曲線分析可知四種質(zhì)量流量下單位井深換熱量基本相等。從熱泵運行18～48 h可以看出，流體質(zhì)量流量大的換熱量相比質(zhì)量流量小的換熱量有所升高，也就是說隨著熱泵運行時間的增加流體質(zhì)量流量相對入、出口溫差占主導(dǎo)因素。在本文的研究條件下地埋管入口流體質(zhì)量流量宜取1.13～1.69 kg/s，過大會導(dǎo)致循環(huán)水泵功率的增加。

圖6 不同質(zhì)量流量下進(jìn)出口溫差及單位井深換熱量的變化規(guī)律Fig.6 Outlet water temperature difference and transfer rate per unit borehole depth with different mass fluxes

3.5熱泵運行模式的影響

熱泵在實際運行過程中，涉及到連續(xù)運行和間歇運行兩種模式。以下主要分析了兩種運行模式對土壤溫度場及單位井深換熱量的影響。

圖7反映了熱泵間歇(開機(jī)1 h，停機(jī)1 h)運行模式下，徑向距離(r=0.08 m)相等的情況下，不同層土壤溫度場的變化規(guī)律?？梢钥闯?，三層土壤溫度均出現(xiàn)波動式上升，上層土壤溫度最高、中層次之、下層最低，這是因為蓄熱過程中流體首先經(jīng)過上層土壤，與其進(jìn)行熱交換后再與中層及下層土壤熱交換。

圖7 間歇模式土壤溫度Fig.7 Soil temperature of the intermittent operation

圖8分別給出了兩種模式下同一深度(H=80 m)處，不同徑向距離處土壤溫度的變化規(guī)律。從圖8(a)可以看出，間歇運行模式下土壤溫度隨著徑向距離的增加波動幅度逐漸降低。當(dāng)r=0.3 m時，土壤溫度波動幅度與連續(xù)運行模式一致。圖8(b)反映了熱泵連續(xù)運行模式下，土壤溫度場的變化規(guī)律。可以看出，不同半徑處，土壤溫度均隨熱泵運行時間的增加而升高，離地埋管越近土壤溫度越高，但趨于穩(wěn)定，整個運行過程中土壤溫度未出現(xiàn)過上下波動的現(xiàn)象。分析可知熱泵連續(xù)運行模式下熱量是連續(xù)傳遞的，因此未出現(xiàn)溫度的波動。

圖8 兩種模式下土壤溫度的變化Fig.8 Changes in soil temperature of two models

圖9給出了兩種運行模式下，單位井深換熱量隨時間的變化規(guī)律。可以看出，連續(xù)運行模式下單位井深換熱量，先下降后保持不變；而間歇模式下單位井深換熱量，先升高后下降再升高，這樣周期性的變化。從熱泵運行效率方面來講，間歇模式增加了地埋管中熱量散失的時間，土壤溫升率處于較低范圍，同時降低了循環(huán)水泵的功率，提高了地埋管的換熱效率及系統(tǒng)COP。因此，在滿足系統(tǒng)負(fù)荷的前提下，應(yīng)采用間歇運行模式。

圖9 單位井深換熱量Fig.9 Transfer rate per unit borehole depth

4 全年蓄熱-恢復(fù)-取熱過程

跨季節(jié)蓄熱型熱泵系統(tǒng)對于解決土壤熱失衡問題具有重要指導(dǎo)意義。以下主要研究了蓄熱型地源熱泵系統(tǒng)全年運行過程中，地埋管周圍土壤溫度場的變化規(guī)律。同時，依據(jù)內(nèi)蒙中部地區(qū)全年氣候特點，以熱泵運行一年為周期，對內(nèi)蒙中部地區(qū)蓄熱型熱泵系統(tǒng)運行過程中，土壤溫度變化進(jìn)行動態(tài)模擬。本文選取運行模式為，夏季蓄熱3個月，春秋季恢復(fù)3個月，冬季取熱6個月，從而實現(xiàn)熱泵全年運行。

由圖10 可知，全年運行過程中不同半徑處土壤溫度隨熱泵蓄熱、恢復(fù)及取熱時間的不同，均呈現(xiàn)出上升、緩慢下降和下降的變化規(guī)律。由圖10可知蓄熱型熱泵經(jīng)歷一個運行周期后，徑向距離為0.5、0.8、1.0及1.5 m處土壤溫度分別為8.16、9.29、9.6和10.16 ℃，可以看出隨徑向距離的增加土壤溫度逐漸升高。

圖10 不同半徑處土壤溫度的變化Fig.10 Changes in soil temperature at different radius

圖11(a)給出了不同蓄熱流體溫度對徑向距離(r=0.5 m)處土壤溫度的影響?？梢钥闯鲭S著蓄熱流體溫度的提高，土壤溫度逐漸升高；進(jìn)一步分析可知當(dāng)蓄熱流體溫度為40、50、60 ℃時對應(yīng)的全年土壤溫升分別為-1.34、3.93、8.72 ℃，也就是說對于蓄熱流體溫度為40 ℃時，經(jīng)過一個運行周期后，土壤溫度相對初始溫度而言依然在下降，從解決土壤熱失衡問題看，蓄熱過程中流體溫度不宜小于40 ℃具體應(yīng)該結(jié)合實際工程熱負(fù)荷而定。

圖11 土壤溫度隨時間的變化(r=0.5 m)Fig.11 Changes in soil temperature at r=0.5 m with the operation time

圖11(b)為不同層土壤徑向(r=0.5 m)處土壤溫度隨熱泵運行時間的變化規(guī)律，可以看出中層土壤溫升率較大且溫度下降也較快，而上層和下層基本一致，這主要是因為中層土壤熱擴(kuò)散率較大，熱作用半徑也較大，在相同時間及相同的半徑處其溫升也較大。從蓄熱的角度分析，上層和下層土壤適合作為蓄熱材料，而中層土壤宜作為回填材料。

5 結(jié)論

(1)蓄熱過程中，土壤熱作用半徑及土壤溫度隨熱泵運行時間的增加而增大，且土壤熱擴(kuò)散率越大熱量傳遞增幅越大。

(2)單位井深換熱量取決于流體進(jìn)出口溫差和流體質(zhì)量流量兩個因素，且流體質(zhì)量流量占主導(dǎo)因素。

(3)相比連續(xù)運行模式，間歇運行過程中地埋管附近土壤溫度呈波動變化且土壤溫升率較低，從而提高了熱泵機(jī)組運行效率、地埋管換熱量及熱泵對淺層地?zé)豳Y源的利用率。

(4)跨季節(jié)蓄熱型地源熱泵系統(tǒng)能夠較好地改善內(nèi)蒙中部地區(qū)土壤熱失衡問題。土壤熱失衡改善效果隨蓄熱流體溫度的提高而增加，從熱泵全年運行考慮，蓄熱期流體入口溫度不應(yīng)低于40 ℃。

[1] 劉愛華, 佟紅兵, 冉偉彥. 北京某垂直地埋管區(qū)低溫場變化規(guī)律研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2016, 43(4):165-170.[LIU A H，TONG H B，RAN W Y. A study of ground temperature changes in a vertical heat exchanger area of Beijing[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2016,43(4):165-170.(in Chinese)]

[2] 王勇, 尹暢昱, 金逸韜. 基于巖土失調(diào)溫度限值的土壤源熱泵系統(tǒng)土壤蓄能狀態(tài)評價[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2015, 42(1):127-135.[WANG Y, YIN C Y, JIN Y T. Evaluation of the ground energy storage condition of ground source heat pump system based on energy storage imbalance temperture limit[J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences)2015, 42 (1):127-135.(in Chinese)]

[3] 楊衛(wèi)波, 施明恒, 陳振乾.非連續(xù)運行工況下垂直地埋管換熱器的換熱特性[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 43(2):328-333.[YANG W B, SHI M H, CHEN Z Q. Heat exchange characteristics of vertical U-tube ground heat exchanger with discontinuous operation condition[J]. Journal of Southeast University (Natural Science Edition), 2013, 43(2):328-333.(in Chinese)]

[4] 李新國, 胡曉辰, 王健. 太陽能、蓄熱與地源熱泵組合系統(tǒng)能量分析與實驗[J]. 太陽能學(xué)報, 2012, 33(4):640-646.[LI X G, HU X C, WANG J. Energy analyses and experiment on solar-ground coupled heat pump with seasonal storage system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33(4):640-646.(in Chinese)]

[5] 王芳, 鄭茂余,李忠建,等. 相變材料在太陽能-地源熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].太陽能學(xué)報, 2006, 27(12):1231-1234.[WANG F, ZHENG M Y, LI Z J,etal. Application of phase change material in solar assisted ground-source heat pump system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2006, 27 (12):1231-1234. (in Chinese)]

[6] Tian B W. A new solution for underground thermal imbalance of ground-coupled heat pump systems in cold regions: Heat compensation unit with thermo-syphon[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 64 (14):283-292.

[7] Yang W B. Numerical investigation on the underground thermal imbalance of ground-coupled heat pump operated in cooling-dominated district[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 58(13):626-637.

[8] You T, Wang B, Wu W,etal. A new solution for underground thermal imbalance of ground-coupled heat pump systems in cold regions: Heat compensation unit with thermosyphon[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 64(Supp1/2):283-292.

[9] Rabin Y, Korin E. Incorporation of phase-cange materials into a ground thermal energy storage system: theoretical stydy[J]. Journal of Energy Resources Technology, 1996, 118(3):237-241.

[10] Gu Yian, O Neal Denni L. Development of equivalent diameter expression for vertical U-tubes used in ground-coupled heat pumps[J]. Ashrae Transactions, 1998, 104(2):347-355.

[11] Stepan Ozana, Martin Pies, Tomas Docekal. Case studies on optimization problems in MATLAB and COMSOL multiphysics by means of the livelink[J]. Aip Conference Proceedings, 2016, 1738(1):571-578.

[12] 林瑞泰.多空介質(zhì)傳熱傳質(zhì)引論[M]. 北京:北京科技出版社, 1995.[LIN R T. An introduction to heat and mass transfer in porous media[M]. Beijing: Beijing science and Technology Publishing House,1995. (in Chinese)]

[13] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 2版.西安:西安交通大學(xué)出版社, 2001.[TAO W Q. Numerical heat transfer[M]. 2nd ed. Xi’an: Xi’an Jiao Tong University press, 2001. (in Chinese)]

[14] 高蓬輝, 紀(jì)紹斌, 周國慶，等. 地層儲放能過程中溫度場演化規(guī)律的試驗研究[J]. 太陽能學(xué)報, 2013, 34(11):1916-1923.[GAO P H, JI S B, ZHOU G Q,etal. Experimental research on temperature of underground soil in the process of storage and release[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2013, 34(11):1916-1923. (in Chinese)]

[15] 張永志, 顧潔. 內(nèi)蒙古中部地區(qū)地源熱泵單位井深換熱量設(shè)計的研究[J]. 建筑節(jié)能, 2012, 256 (40):24-25.[ZHANG Y Z, GU J. Designing of Average Quantity of Heat Per Meter for Ground Source Heat Pump at central Inner Mongolia[J].Building Energy Efficiency, 2012, 256 (40):24-25. (in Chinese)]

責(zé)任編輯：張若琳

Astudyoftheheattransferlawofgroundsourceheatpumpwithseasonalheatstorage

WU Xuan1, LU Ziye1, LIU Wei1, LIANG Panlong1, TIAN Xuekai2, JIN Guang1

(1.SchoolofEnergyandEnvironment,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou,InnerMongolia014010,China; 2.CollegeofPipelineandCivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao,Shandong266580,China)

Based on the method of finite element analyses a quasi 3-D unsteady-state heat transfer model was developed. Changes in soil temperature, transfer rate per unit borehole depth and thermal influencing radius for ground source heat pump with seasonal heat storage with the heat pumps operation time were analyzed by comparison with the experimental results. The effects of soil structure, inlet water temperature, inlet mass flux and operation models on heat transfer of soil and the issue of ground heat balance were investigated. The results indicate that soil temperature at the same radius of different depths increases with the soil thermal diffusivity, the thermal influencing radius increases with the operation time, and the inlet water temperature gradually tends to be steady. The fluctuation changes in the soil temperature and heat transfer rate under the intermittent operation model and the soil temperature of radial distance more than 0.3 m were fitted with two models, indicating that the mass flow rate of the inlet fluid was not too big under the requirement of the heat transfer rate of the system, the soil temperature is recovered after one cycle of operation (360 d) of the ground source heat pump system with seasonal heat storage, and the fluid inlet temperature should be more than 40 ℃.

ground source heat pump; buried pipe; thermal influencing radius; operation mode; ground heat balance

P314.1

A

1000-3665(2017)05-0164-08

金光(1970-)，女，博士，教授，從事熱過程節(jié)能減排、新能源應(yīng)用技術(shù)。E-mail:13772403854@163.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.25

2016-07-12;

2016-08-10

內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎勵資助項目(2017CXYD-1)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項目(2015MS0561);2017年內(nèi)蒙古自治區(qū)應(yīng)對氣候變化及低碳發(fā)展專項資金項目

吳晅(1976-)，男，博士，副教授，從事土壤源熱泵技術(shù)研究。E-mail:wxgif@163.com