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浅层土壤源埋管地温场热平衡性预测分析

2023-08-31 126 上传者：管理员

摘要：考虑地温场冷热平衡对浅层土壤源埋管安全运行的重要性，以非稳态传热理论为基础，结合工程实例及监测数据，对双U形浅层土壤源埋管换热器地温场热平衡进行预测研究。通过模拟地埋换热器的工作情况，得出在连续运行工况下，U形管周围温度分布、热流量变化情况，进而确定换热器的热作用半径。

关键词：
地温场
地源热泵系统
浅层土壤埋管
热平衡
热泵应用
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浅层土壤源埋管系统是地源热泵系统的一种方式。由于土壤的热物性，浅层土壤源埋管必须同时供冷、供热，以保持土壤的热平衡，维持系统的稳定性。地埋管地源热泵系统监测较为复杂，除运行系统能效监测外；还需重点监测埋管井群区域岩土体受热泵系统影响情况。监测数据要能较好反映地埋管井壁及整个换热井群区域的土壤温度场分布和变化情况[1]。

随着热泵应用规模的扩大和地能利用技术的深入发展，国内外也开始重视大规模群井技术研究；但受井群规模限制，现场试验测试难度大，所以计算机数值模拟是井群技术研究的一项有效手段[2,3,4]。本文采用FLUENT软件建立模型，对初始地温及参与换热的钻孔基于非稳态传热进行热响应试验，采集并计算出热导率、比热容及岩土体密度数据，作为双U形浅层埋管设计及运行依据。

1、模型的建立

1.1计算参数

天津市文化中心能源站项目总埋管数量3 789口,超大规模的垂直埋管换热器全部设置在景观湖底；埋深120 m，钻孔口径200 mm，换热器间距4.8 m，全部为同程连接，分别由130路水平集管连至24个分集水器检查井，再输送至南区和北区能源站。为了简便计算，把计算区范围概化为9个井群计算，计算外围与井群边缘距离定为2倍孔距，进而忽略侧向边界对井群的影响。见图1。

图1计算范围

岩土体热物性参数包括岩土体的热导率、比热容及地温场特征等，其反映了岩土体的蓄热和导热能力，是影响浅层地热能资源开发利用的重要因素[5]。通过对项目进行场地勘查，获得岩土体综合热物性参数作为本次模拟的初始参数。见表1。

表1模拟计算初始参数

计算范围的侧向边界设为定温度边界，顶面和底面定为隔热边界。井群土壤初始温度垂向上根据地温背景值监测资料设定。根据总管流量平均到所有井孔，进而设定每个单孔的流量。进出口水温由实测值设定。

1.2模型建立及求解

土壤埋管换热器埋管内介质通过管壁与周边土壤进行换热，周边土壤为施工过程中回填介质。换热器与浅层土壤之间的热交换过程满足典型的热传导方程。若考虑采用圆柱坐标，上述过程可以转换为

土壤体传热方程

式中：t为土壤温度；t0为土壤初始地温；H为钻孔深度；τ为时间；r为计算点到孔中心的水平距离；z为土壤源埋管深度；q为热流密度；D为土壤源埋管埋深；k为钻孔周围岩土的热导系数。

管内侧传热方程

式中：流体至管子外壁的传热热阻；rpi和rp分别为U形管的内外半径；rb钻孔的半径；k、kb和kp分别为钻孔周围岩土、钻孔回填材料U形管材料的热导率；h为流体与U形管内壁的对流换热系数。

上述换热方程采用Fluent软件进行计算，得出热导率、比热容及岩土体密度。

2、模型识别验证

模型检验通常是将识别得到的一组参数和模型原封不动地用来模拟另一段时间的野外观测数据，外部影响按该时段的实际情况给出，比较模拟值和实测值，两者应在预先设定的容许误差范围内。根据地温监测资料，该地恒温层位于深度40 m处，其受上下地层的温度影响较少，能尽可能减少模型条件设定带来的误差，而且40 m处具有详实的地温影响半径监测数据，便于识别验证。

对预测模拟结果与实测地温过程线进行对比，要求两条参数曲线拟合度较高，在误差允许范围内。拟合后的参数与原始参数值相差不大。见表2和图2。

表2模拟计算拟合后参数

图2观测孔地温计算值与实测值拟合曲线

3、地温场预测

地层40 m处的地温场从原始地温14.9℃经历1—3月制热期土壤放热造成的地温持续下降，3月20日换热孔周围地温降至8.5～15℃，然后经历6—9月制冷期土壤吸热阶段，9月20日换热孔周围地温升至15～19℃，11月15日换热孔周围地温恢复至14.9～15.6℃，最后再次经历11月—次年3月制热期土壤放热阶段，3月20日换热孔周围地温降至8.5～15℃。见图3。

图地温场分布

整个制热制冷循环周期内土壤蓄热量大于排热量，换热孔周围的地温将无法恢复到原始状态，出现这种情况应该与地源热泵系统刚建成冬季制热时间较短有关，而且换热负荷过大，井群间热突破明显，产生了小范围热堆积效应，使地温无法有效接受外围热补给。从整个制热制冷期循环周期（经历一个制热期和一个制冷期以及制冷期后到下一个制热期前的恢复期）可以看出，换热孔周围地温场接近平衡，但整个循环周期后地温比原始地温仍高0.5℃左右，需在下一周期进行调整。

4、结语

岩土热性能参数是双U形浅层土壤埋管的重要设计依据，确立地温场概念及建立地温场模型是设计、运行好浅层埋管供能项目的重要前提之一。本文基于天津市文化中心能源站大规模浅层埋管地温场的岩土热响应试验数据，应用FLUENT软件以实际数据验证理论建模计算数据，直观得出地温场分布情况，为下一个运行季的地温平衡的工艺控制策略提供依据，也对后续浅层埋管类项目设计工作具有重要意义。

参考文献:

[1]李伟,王砚,李君.浅层土壤源埋管地温场动态监测系统布置[J]天津建设科技,2017,27(3):1-2.

[2]李新国,赵军,周倩. U型垂直埋管换热器管群周围土壤温度数值模拟[J].太阳能学报. 2004,(5):703-707.

[3]高青,李明,闫燕.群井地下换热系统初温和构造因素影响传热的研究[J].热科学与技术,2005,(1):34-40.

[4]纪世昌,胡平放. U型垂直埋管换热器管群间热干扰的研究[J]制冷与空调,2007.(4):35-37.

[5]张云霞,冯鑫天津滨海新区浅层地温能开发利用方式研究[J] .中国国土资源经济, 2011 ,24(9):43-45+56.

文章来源:李君.浅层土壤源埋管地温场热平衡性预测分析[J].天津建设科技,2023,33(04):73-75.