地埋管地源热泵系统跨季节土壤蓄热特性的模拟分析

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1、http://www.paper.edu.cn1地埋管地源热泵系统跨季节土壤蓄热特性的模拟分析1,2222崔俊奎，赵军，李新国，韩敏霞1.辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新（123000）2.天津大学热能工程系，天津（300072）E-mail：cuijunkui@yahoo.com.cn摘要：本文研究了跨季节蓄热地源热泵系统（GCHPSS）土壤蓄热体温度场的变化规律，编写VB程序对地下埋管土壤介质跨季节蓄热进行了模拟，计算结果表明：当采用单U型竖直埋管蓄热时，土壤日蓄热量、热作用半径和平均蓄热率在初始阶段急剧变化，然后缓慢减小并最后趋于稳定，蓄热量也趋于平衡；当采用竖直埋管管群蓄热

2、时，蓄热系统运行1个循环周期（1年）后，土壤的温度场基本上可以恢复平衡，恢复后温度较蓄热开始时初始温度升高约0.5℃。同时，对3种具有不同热物性的土壤蓄热特性进行比较，得出粘土是一种性能良好的长期储能介质。地下埋管土壤蓄热特性的理论研究和模拟分析为GCHPSS系统的长期稳定运行和推广应用奠定理论依据。关键词：地源热泵系统；跨季节蓄热；土壤蓄热；地埋管换热器；温度场分布中图分类号：TK1241.引言跨季节蓄热地源热泵（GroundCoupledHeatPumpwithSeasonalStorage，GCHPSS）是一种将太阳能跨季节蓄热与地源热泵技术有机结合的高效、节能组合系统。跨季节性蓄

3、热，是相对短期蓄热而言，指长期性介质蓄热，蓄热容积比较大，充分热循环周期比较长，通常采用的蓄热和取热周期为一年。欧洲多年的研究和实践表明，跨季节蓄热技术有很大的潜能，可以减少电能和矿物燃料的消耗，可以高效的利用太阳能源，它是目前极具发展潜力的大规模利用太阳能的方式。同时，它们[1-5]一个显著的特点就是对生态环境的影响很小，绿色环保。GCHPSS系统其优势在于，可充分利用太阳能和浅层地热能资源，减少太阳能利用中所受的季节性限制，在夏季太阳能充足的情况下，通过蓄热装置将过剩的太阳能储存在地下土壤中；在冬季时，通过地源热泵将储存的能量从土壤中取出加以利用。该系统可以将蓄热装置与地源热泵地下埋

4、管换热器合二为一，减少了增加蓄热装置需要的额外投资问题。目前，国内外对地源热泵系统地下换热器的模型模拟研究做过很多工作，主要集中在模型探讨[6-8]和地下传热问题的研究。对于跨季节蓄热特性、蓄热过程中土壤温变规律，以及蓄能运行控制等1研究报道较少。本文以GCHPSS系统中土壤蓄热特性为重点开展理论与实验研究，通过对地下埋管蓄热的模拟计算，探讨地下蓄能过程中土壤温度场在不同条件下的分布规律、地下土壤蓄热能力和太阳能在土壤中跨季节储存效果。1本课题得到国家“十一五”科技支撑计划重大项目（编号：2006BAJ03A06），天津市社会发展科技计划项目（编号：06YFSYSF03600）；辽宁工程

5、技术大学优秀青年科学基金（编号：06A13）的资助。1http://www.paper.edu.cn2.跨季节地下土壤蓄热系统2.1跨季节蓄热系统与地下U型埋管土壤蓄热根据蓄热介质的不同，跨季节蓄热系统包括下述几种方式：热水蓄热池（Hot-waterstoragetank）、砾石/水蓄热（Gravel/Waterheatstorage）、地下埋管土壤蓄热（Undergroundductheatstorage）以及天[9]然含水层蓄热（Naturalaquiferheatstorage）。本文的GCHPSS系统即采用地下U型竖直埋管土壤蓄热方式。图1为U型竖直埋管蓄热示意图，埋管钻孔深度L

6、一般为30-120米，蓄热装置的顶部设置绝热层以减少热损失。工作时，通过地下埋管热量直接被储存或者释放至周围的土壤中。由于土壤和岩石的热传导系数比较低，从而使在地面以下一定容积内进行蓄热成为可能。埋管蓄热方式对地质结构具有较强的选择性，饱和水土壤和岩石等比较适合。在实际应用中，竖直钻孔换热器是比较典型的埋管蓄热装置，主要分为单U型管、双U[10，11]型管、套管等多种类型。采用地下埋管蓄热时，在蓄热系统地上可覆盖草皮用作绿地，也可用作停车场，或可以是建筑物等，基本上不占用空闲土地。同时，蓄热系统各钻孔间埋管连接方便，蓄热容积可随建筑面积而异，对于较大规模的蓄热工程可采用地下埋管蓄热。连接

7、管道地表面覆绝热层盖层钻孔壁双管回填材料注入管钻孔壁回填材料钻孔单管出水管进水管深套管填充材料（30-100）型管热交换器图1U型竖直埋管蓄热示意图Fig.1SchematicofundergroundverticalU-tubeboreholeheatstorage2.2地下U型埋管土壤蓄热温度场特性地下U型埋管换热器的性能与土壤性能紧密相关，埋管换热器最佳间距和深度取决于土壤的热物性和气象条件，并且是随地点而变化的。对于浅层土壤