261地下蓄能与用能平衡分析

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1、地下蓄能与用能平衡分析李明高青江彥黄勇吉林大学热能工程系，长春130025摘要：地下能量存储是一个复杂多变的传热过程，能量存储和利用的时间特性是决定蓄能效率的关键因素。本文通过模拟计算，对蓄能和用能的时间特性和温变作用进行了分析和探讨，研究蓄能体温位变化和分布规律，尤其是变化的时间和间歇性对用能平衡的影响。关键词:地下蓄能；温时特性；用能平衡0引言以供热为主的北方或以供冷为主的南方地区，由于存在冷、热负荷不均衡问题，使地源热泵综合效能降低，影响其发展和应用。具有季节性蓄能特点的地下蓄能技术为上述问题的解决扫除了障碍，它利用地域空间，实施能量蓄存，达到能量补充和再利用的目的，减轻能量失

2、衡带来的影响，也为更多种能源形式应用提供有效途径，但是能量蓄存和用能的平衡性问题仍然有待深入研究。上世纪90年代，国际能源机构IEA制定能源发展规划将蓄能技术作为重点发展领域，提出通过蓄能实现能源时空转换的技术问题和国际合作项目(ECES-IA)1",将地下热能储存技术UndergroundThermalEnergyStorage(UTES)或称BoreholeThermalEnergyStorage(BTES)作为一项主要发展方向。在欧洲，一些示范工程的实验应用带动了基础研究和科技进步。瑞典Emmaboda工业园区的地下蓄能设施⑵。土耳其Cukurova大学利用冬季进行了自然冷量地

3、下蓄冷的实验研究⑶。美国、波兰、日本等研究人员在地下蓄能等方面进行了模型分析和模拟汁算工作。加拿大Ontario大学⑷，建成了当时世界上最大的竖孔式地下蓄能实验系统，提供校内八个建筑区的暖

4、通空调应用。本文将通过模拟计算，对蓄能和用能的时间特性和温变作用进行分析和探讨。b.井孔区网格划分a.计算域网格划分图1.模型屮的网格分布1计算模型鉴于地下蓄能系统一般都是应用于大规模地能利用，需要进行地下换热器集群布置的区域分析，因此构建如下的地下蓄能模型。计-算区域规模如图1-a所示，总的讣算区域大小为96mX96m,井孔布置区域为48mX48mo井孔间距为6mo处理对称分布工况时，数据处理过

5、程只选取图1-b的四分之一区域。网格划分遵守有限元分析小的网格划分规则，即在计算量变化幅度大的区域网格划分较为密集，而变化幅度小的区域网格较为稀疏，从而兼顾讣算速度和精度两者之间的关系。I基金项目：国家自然科学基金资助项目(NO.5057&030)作者简介：李明,男,1976.12,博上，讲师，地址：吉林大学南岭校区热能工程系,邮编：130022,电话：0431-85095196,传真：0431-85095196,E-mail:liming(iger@jlu.edu・cn影响地下蓄能和用能系统的因素众多，原因是地下岩土本身是一个复杂的系统，其热物理特性和结构对蓄能效果都冇影响。地卜•

6、蓄能主要是为解决极端气候条件卜多年用能不平衡的问题。因此在分析岩土蓄能时需要通过集群井孔进行分析。2.蓄能用能平衡分析蓄能的最终目标是提高热泵系统的使用效率和能源利用的可持续发展。因此将能量蓄入蓄能体后，应采取措施保持能量在某一区域内尽量不往该区域外扩散，或者向外围扩散的量达到最小。在能量利用过程中要实现可控。地下蓄能和用能系统使用寿命周期通常和地面系统的相同，因此需要开展长期的用能平衡问题研究。图2给出了花岗岩特性的岩土在单纯供热工况(从地下吸热)下的温度分布和特征点温时变化曲线。特征点选取计算域边缘(far)、井孔区边缘(edge)、井区中心(center)s边缘井孔(edgeh

7、ole)和中心井孔点(centerhole)<>a.典型点温度分布b.第3供热期结束c.第3恢复期结束图2.花岗岩特性全源以单-位深度25瓦供热3个周期的温度分布a.典型点温度分布11.99713.35414.71116.06717.424AO.ieBXX.609b.第10供热期结束c.第10恢复期结束图3•全源以25瓦蓄能用能平衡状态下运行10周期的温度分布从图中可以看到由于以年为周期的用能不平衡使得岩土温度在第二年供热结束时最低温度下降到0°C以下，而且低温区仅仅集中在计算域的中心区域。在这种情况下常规地源热泵的运行性能系数都会很低，系统的节能特性已经不明显。随着系统的不平衡运行

8、，在中心的井孔由于不能得到充分的能量冋流使得在恢复后的温度比外围井孔的恢复温度低；并且随着系统运行时间的延长，中心井孔和外围井孔的温差逐步加大，屮心区域的温度远远低于外围温度。图3给出了花岗岩特性的岩土在供热量、制冷量平衡工况下的温度分布。计算表明，如果全年供应冷热负荷平衡，则系统始终能够保持在高效运行状态，并且围绕岩土原始温度为平衡点进行波动。由于用能平衡，全部井孔区域的温度逐步均衡，即每个井孔周边的温度变化趋于一致。对于一个特定建筑而言在用能不平衡的工