地源热泵系统的FLUNENT数值模拟研究.doc

地源热泵系统的FLUENT数值模拟研究
华中科技大学易刚杨文广王劲柏
摘要:本文利用GMBIT软件建立了地源热泵单U地埋管换热器几何模型,划分了12种不同密度的网格,利用UDF建立了建筑负荷,热泵机组模型。通过三种模型在FLUENT软件内的直接耦合,实现了利用FLUENT对整个地源热泵系统的数值模拟,主要考察了网格密度对仿真结果的影响。计算结果表明,随网格数目的增多,机组功耗和机组COP开始的时候变化显著,后来趋于平缓;计算耗时随网格数增加急剧增加。
关键词:FLUENT GAMBIT 地源热泵系统网格数模型
1 引言
地源热泵系统与传统空调系统相比,因其节能、环保等优点而得到了较好的推广与应用。目前,对土壤源热泵进行研究主要采用两大类方法,一类是以热阻为基础采用一维线热源或柱热源模型的半经验公式方法,根据冷、热负荷估算地热换热器埋管长度;另一类是以离散化数值计算为基础的传热模拟方法,采用有限元法、有限差分法或者有限体积法求解地下温度响应并进行传热分析[1]。
模拟仿真具有实施周期短、代价小,能为实验研究及工程应用提供很好的指导等优点,在两大类方法中得到广泛应用。FLUENT计算软件功能全面、计算效率高、稳定性好,近年来在地源热泵模拟仿真中得到了广泛应用。本文利用GMBIT软件建立了地源热泵单U地埋管换热器几何模型,划分了12种不同密度的网格,利用UDF建立了建筑负荷,热泵机组模型。通过三种模型在FLUENT软件内的直接耦合,实现了利用FLUENT对整个地源热泵系统的数值模拟,主要考察了网格密度对仿真结果的影响。
2 地埋管换热器模型的建立
图1为传统地源热泵系统示意图,包括3个子系统:U型管地下换热器、热泵机组和房间热力系统。

图1 传统地源热泵系统结构图图2 土壤换热器几何模型
地下换热器模型
使用GAMBIT软件建立了地源热泵U型管地下换热器几何模型,由于地下换热器的几何形状和物理过程以竖直面左右对称,故为了节省计算时间,在建模将常规系统的几何模型沿管井中心线切开,取一半进行计算。图2是模型几何形状示意图[2],本模型包括的几何体有U形管、水、回填材料和土壤。GAMBIT中“MESH”工具箱中的各项工具可以对线、面、体进行结构化和非结构化网格的划分,也可以划分边界层网格。本文使用“MESH”工具箱划分了12种不同密度的网格,网格数分别为3853,3994,4129,4264,4534,7020,22240,43735,151084,280272,464539,665761。
热泵机组模型
本文采用基于Gordan[3]的冷冻机功耗模型,该模型通过热力学理论分析与实验联合的半经验法建立,其通用性很好。文献[4]对该模型有较为详细的描述,并根据厂家提供的样本数据,拟合出了机组的功耗模型,本文直接采用该功耗模型。文献[4]提出的机组功耗模型:
式中为机组功耗(W),为额定工况下的满负荷制冷量(W),为负荷率(%),为冷凝器侧冷凝水进口温度(K),为蒸发器侧冷水进口温度(K)。
建筑冷负荷模型
以现在国内较流行的建筑能耗模拟软件DeST为研究手段,对武汉地区的一栋商业建筑全年负荷进行计算,形成时间序列离散数据负荷模型。
3 模拟结果分析
数值模型设置成如下条件:放置U型管和回填土的竖井直径22