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渗流对地下换热器能量动态蓄存控制的影响
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渗流对地下换热器能量动态蓄存控制的影响
江 彦1,高 青1,2,李 明1,2,王丽华1
(1.吉林大学热能工程系,长春130022;2.吉林大学汽车动态仿真与控制国家重点实验室,长春130022)
摘要:针对地下水渗流旺盛地区的地下蓄能,提出全新的偏置加载控制模式。利用负荷量和温位的双重控制,可更加有效地提高地下蓄能的传热效率,提升蓄能区域的能量保持能力。通过分析可知,在输入能量基本一致的条件下,偏置梯级加载控制比环式梯级加载控制表现出更加明显的蓄能能力和保持潜力。对偏置式动态间歇蓄能方式的研究发现,短间歇蓄能方式在蓄能数量、平均温升和最高温度方面都比长间歇蓄能方式更有利于能量在埋管区域的蓄存、扩散和保持。
关键词:热能工程;地能利用;地下蓄能;地下水渗流;动态控制;偏置负荷
中图分类号:TK521  文献标志码:A  文章编号:1671-5497(2012)05-1179-0620世纪末,岩土蓄能与地源热泵系统的联合应用研究主要集中在地下换热器的强化传热和埋管回填料[1-3]等方面。德国Threringen所建造的土壤蓄热系统蓄热效率为63.64%[4];瑞典一些地区的商业建筑利用竖直U型管地下换热器进行太阳能地下能量蓄存[5-6];加拿大和挪威对大型地下埋管蓄能系统也进行了研究[7-8]。中国的河北工业大学、天津大学和哈尔滨工业大学等对太阳能及其他能量的地下蓄存开展一系列研究[9-11]。吉林大学与日本、英国、美国等国开展合作应用示范工作[12-13],在提高地能利用和强化传热方面进行试验研究。但已有的研究针对地下水流动的地下蓄能研究很少,而岩土是固液气组成的多孔介质,且垂直式地下换热器的埋管都比较深,在蓄能过程中或多或少会受地下水渗流的影响。因此考虑地下蓄能控制模式时,对含湿饱和岩土有地下水渗流时的蓄能控制模式进行研究,分析地下水流动对岩土地下蓄能特征的影响,不仅可以使蓄能控制方式有的放矢,也可以使地下换热器的设计更准确合理,加快地下蓄能与地源热泵应用于实际工程的步伐。为此,本文研究了地下水流动对蓄能的影响,特别是偏置加载控制对蓄能的影响。
1·数学模型
能量在多孔介质中的传热可以看作由导热和对流叠加而成,因此总能量方程由固体传热能量方程和流体传热能量方程相加而成,叠加后的方程形式如下:

多孔介质的热容量和导热系数由固相和液相的热容量和导热系数通过数值加权平均计算得到:

式中:λw为多孔介质中地下水的导热系数;λg为多孔介质中固体物质的导热系数;ρg为多孔介质中所含固体物质的密度;cg为多孔介质中固体物质的比热;φ为多孔介质孔隙率。初始条件如下:(1)τ=0时,Tpor、tf1、ui均为定值。
(2)τ在任意时刻,tf1(X3=0,τ)为定值。
(3)τ在任意时刻,Ux2为定值。
定流体温度在换热的过程中保持不变,则在流固耦合的边界上存在第一类条件:

当系统停机处于能量保持间歇期时,认为流体与岩土之间只有纯导热发生,因此埋管的控制方程只有能量方程(即瞬态导热方程)存在,岩土内部的导热不变。
2 计算模型
为了便于蓄能模式调控,选取蓄能区域为120m×120m,布置225个竖孔直径为100mm的地下埋管换热器(热源),按15×15顺排方形布置,孔间距为6m(见图1)。岩土孔隙率为0.2,初始温度为12℃,地下水流速选择5.4×10-7m/s,流速从X正方向向负方向流动,岩土导热系数为2.906W/(m·K),定压比热为1030J/(kg·K),密度为2360kg/m3。

对于太阳能和建筑余热利用而言,循环周期时序具有季节性和昼夜性特点,即以夏季为蓄能加热阶段,秋季设为能量保持阶段,以昼夜划分,只取白天进行热量加载(如日照时间6∶30am~18∶30pm,合计12h),夜晚非加载,形成间断性蓄能。
把蓄能加载模型分为高温位90℃、中温位70℃和低温位37℃三个区进行控制。考虑到地下换热器兼有地源热泵和地下蓄能的作用,并且为了平衡北方热负荷多而冷负荷少的情况,选择90℃和70℃蓄热介质以太阳能集热分配供给,主要作用为进行地下能量补充;37℃蓄热介质以夏季建筑空调冷却循环水供给,满足夏季建筑冷负荷需求。
3 蓄能控制特性
地下水渗流的方向对能量的流失量有重大影响。由于地下水可以带动能量向水流的下游方向扩散,因此,在地下水渗流流速较大的地区,可能在保持期间就将能量带出埋管区,为此,提出在地下水渗流流速较大的地区采用偏置加载的办法,即把高温位能量蓄存在地下水渗流的上游区域,而把中低温位的能量蓄存在下游区,使能量在地下水的作用下,可以在保持期把较多的能量移动到埋管区的中部区域,防止能量较多地向埋管区以外扩散,利于用能期的有效提取。
热源井群及3个温位的环式和偏置式加载模型分区如图1所示。计算时间:白天12h连续蓄能,晚上12h停机,运行4个月后,连续停机2个月,共计运行6个月。
3.1 环式加载与偏置式加载分析
为了探讨偏置加载蓄能模式对能量保持的有效性,在环式加载和偏置式加载方式蓄能中,对监测面内的最高温度、平均温度、输入和流失能量变化以及监测面上的能流通量分别进行分析,其中在对输入与流失能量进行分析时,监测面选择距离井区中心为45m的方形面,该面距离最外层井中心3m。
3.1.1 最高温度和平均温度
图2为环式蓄能和偏置式蓄能最高温度和平均温度随运行时间的变化曲线。

由图2(a)可看出,在蓄能过程中两种方式蓄能的最高温度几乎相同,而在保持期,环式蓄能的最高温度明显比偏置式蓄能大,因为环式蓄能的高温位能量被周围中温位区包围,虽然地下水的渗流引起能量迁移,但能量在中间热源部位产生的堆积现象仍比偏置式严重。
由图2(b)可看出,在蓄能加载期间环式蓄能的平均温度比偏置式高,而在结束保持期间,则偏置式平均温度比环式高,说明在蓄能期间,环式蓄能模式的埋管区所留存的能量较多,而随着保持期的延长和地下水流程的增加,由于环式蓄能所流失的能量比偏置式多,导致埋管区内所留存的能量反而比偏置式少。
3.1.2 能量输入和流失特性
图3为两种蓄能方式下,监测面内的埋管区域中能量输入量和流失量柱状图。由图3(a)可看出,两种模式下,能量输入量都随着蓄能时间的延长而递减,每个月的能量输入量几乎相同,在4个月内环式和偏置式蓄能平均月输入量分别为1.018×1011 J和1.022×1011 J,偏置式仅比环式多0.4%,因此两种模式的输入能量没有明显差别。

由图3(b)可看出,两种模式的能量流失量发展趋势相同,为先增加后减少,在能量加载阶段,偏置式所流失的能量比环式多,而在保持阶段,则偏置式所流失的能量比环式少。
与图2结合分析可知,由于地下水渗流的影响,蓄能过程中环式和偏置式蓄能时的最高温度与平均温度几乎相同,因此对能量的输入量影响较小。同时,由于在偏置式蓄能中高温位区位于边缘区域,地下水流程还不能将所输入的能量有效带动到下游区域,因此流失量较环式大。就本案例而言,4个月内,偏置式比环式多流失4.238×109 J,比环式蓄能方式多9.3%。而在能量保持期,由于地下水的流程的增加,带动所输入能量向下游扩散较多,环式蓄能的高中温位区距离下游区较近,因此地下水把较多的能量带出埋管区,能量流失量比偏置式多4.839×109 J,比偏置式蓄能方式多17.64%。
3.1.3 能流通量特性
图4为环式和偏置式蓄能监测面能流通量在4月末和6月末随X轴和Y轴的分布图,考虑到上下监测面的对称性,仅给出上、左和右监测面的能流通量图,本节所说的能流通量为单位时间在单位监测面面积上能量的输出量。

由图4(a)可看出,对于上监测面,由于地下水自X轴正向向负向流动,因此,能量在负方向流失较多,在X负方向上能流通量较大,从X正向向负向逐渐减小,X=45m处能流通量值最小。
对于左右监测面,其不同时刻的能流通量曲线在Y轴上都呈中心对称性,但数值大小相差较大。左监测面在蓄能加载末期时,整体曲线波峰性一致,所有峰、谷值几乎相同,其差值约为1.1W/m2,说明在加载期左监测面上能量流失量较大,流失能力相同。在保持期末,能流通量呈中部高两边低的情形,说明在热源群左监测面的边缘处能流通量比加载末期有较大下降,在保持期开始阶段,边缘处能量扩散量较快,至保持期末,能量扩散量逐渐相对稳定;而中部的能流通量在保持期末仍然较高,说明中部能量的流失量一直以较快的速度向外扩散。对于右监测面,加载末期和保持末期能流通量一直较小,整体一致性和对称性好。由于水的渗流,带动能量向Y轴负方向扩散,因此能量在该侧流失量较小,能流通量较小。
由此可知,尽管经历了2个月的停止注入能量过程,在有地下水渗流的情况下,保持期内热量流失一直保持较高水平,因此如何控制蓄能后的能量散失是在保持期的整个过程中都要重点考虑的问题。
由图4(b)上监测面的能流通量图可以看出,由于高中温位区位于X坐标轴的正方向,因此在X轴正方向的能流通量较大,X=45m处受地下水渗流的冲刷,此处的能流通量相对内侧要小;左右监测面的能流通量对Y轴对称,总体为中间大、两侧小。对比图4(a)可看出,第4个月末偏置式蓄能的能流通量比环式蓄能大,因此能量流失量大,而6月末偏置式3条边的能流通量平均值比环式小,因此能量流失量小,此结果与两种模式下的最高温度、平均温度和输入流失能量特性相一致。
3.2 偏置式长间歇与短间歇分析
由3.1节可知,在地下水渗流的区域采用偏置式蓄能有利于能量的保持与蓄入。为了进一步探索周期性对蓄能效果的影响,选择偏置式蓄能控制模式,间歇周期的加载间歇比例为2∶1的短间歇和长间歇两种方式。其中,短间歇为白天12h内以蓄能2h、间歇1h的方式交替运行,晚上12h间歇;长间歇为白天连续蓄能12h,间歇12h;两种间歇周期保证相同的总运行时间。两种间断循环情况的间歇周期如图5所示。

图6为长间歇和短间歇蓄能时监测面内的输入能量和流失能量图,两种工况下输入与流失能量的增减趋势相同。长间歇时输入和流失的能量都比短间歇时多。经统计,在4个月的蓄能期内,长间歇蓄能的总输入能量为4.088×1011 J,短间歇总输入能量为3.55×1011 J,长间歇蓄能加载累计时间是短间歇蓄能时间的1.5倍,但是长间歇总蓄入能量仅为短间歇总蓄入能量的1.15倍左右。同样,6个月内长间歇蓄能的总流失能量为7.736×1010 J,短间歇时的总流失能量为6.816×1010 J,长间歇所流失的能量为短间歇时所流失能量的1.135倍左右。
由于短间歇方式在蓄能加载期不但存在昼间(6∶30am至18∶30pm之间2∶1间歇)间歇,还存在夜间的间断(18∶30pm至次日6∶30am),即同时存在双周期过程,增强了间歇作用,有利于蓄入能量的充分传输,导致注入能量的总量相对明显增加。由于短间歇过程的最高温度和平均温度显著低于长间歇蓄能,有效地缓解了加载区的能量堆积,提高了能量的注入效率。
由以上分析可知,在有地下水渗流的情况下,短间歇的蓄能方式不论在蓄能量还是保持量上都比长间歇有明显优势,因此,在蓄能时对太阳能和建筑余热进行有效的间歇控制,将有利于能量的高效注入。
4 结 论
(1)地下水的渗流有利于能量在岩土中的扩散,增强埋管与岩土的对流换热,使能量的输入更加高效,尤其在地下水渗流较大的地区,可加速能量向下游区域的扩散。
(2)在地下水渗流的区域进行地下能量蓄存时,提出偏置式蓄能控制模式的理念,通过计算和分析得出偏置式蓄能在蓄能过程中虽然与环式蓄能在能量输入上相差甚微,但在能量的保持上有利。
(3)在一定的蓄能间歇周期内,短间歇蓄能方式有利于能量高效蓄存,因此,在蓄能时对太阳能和建筑余热进行有效的间歇控制,有利于能量的高效注入。
参考文献:略

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