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地源热泵系统的FLUNENT数值模拟研究1
地源热泵系统
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,划分了种不同密度的网格。
关键FLUENT GAMBIT 地源热泵系统 网格数 模型
1 引言
地源热泵系统
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,划分了种不同密度的网格。
2 地埋管换热器模型的建立
图1 传统地源热泵系统结构图 图2 土壤换热器几何模型
1.1 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,,,,。
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)
1.3 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220mm,深60m,U型管内径26mm,管壁厚3mm,U型管两管中心距180mm,竖井表面和土壤外表面之间的径向距离为3m。使用FLUENT读取GAMBIT所建的网格,在GAMBIT和FLUENT中定义物性参数、边界条件和初始条件,据武汉地质条件定义物性参数,水密度为998.2 kg/m3, 导热系数为4182W/m ℃,质量比热为0.6 J/kg k,地埋管密度为950 kg/m3,,导热系数为2300W/m ℃,质量比热为0.45J/kg k,回填材料密度为1900 kg/m3,,导热系数为900W/m ℃,质量比热为2.2J/kg k,土壤密度为1540kg/m3,,导热系数为1800W/m ℃,质量比热为2.1J/kg k
以武汉地区某办公建筑为研究对象,模拟地源热泵夏季间断运行四周的运行工况,每天从早上8点到晚上9点开机运行,晚上9点到第二天早上8点停机,取第26天的数据进行研究。图3和图4是网格数分别为3853、7020、和时该天机组功耗和机组COP随时间变化曲线。图5和图6是下午2点时机组功耗和机组COP随网格数变化曲线;图7是该时以网格数为时机组COP为基准,机组COP相对误差百分数随网格数变化曲线。结果表明,随着网格数增加,机组功耗减小,机组COP增加,二者开始的时候变化显著,后来趋于平缓。从理论上讲,当网格密度增加到一定程度时,机组功耗和机组的COP变化趋于平缓。网格数位时机组COP比网格数为7020时只增加了2.44%,比网格数位时只增加了1.55%,比网格数为时只增加0.44%。
在工程计算或研究中,进行模拟仿真计算时计算耗时是一个需要重点考虑的因素,特别是进行长时间大量计算时,需要对计算耗时进行大致估计,如果耗时过长就会使模拟仿真失去有效性。图8是计算耗时随网格数变化曲线,结果表明随网格数增加计算耗时急剧增加,网格数为时计算耗时是网格数为7090时的129.9倍,是网格数为时的12.6倍,是网格数位时的2.2倍。计算结果表明,在使用FLUENT软件对地源热泵系统进行仿真模拟时,为了保证足够的计算精度,网格密度不宜太稀;为了保证可行的计算耗时,网格密度不宜太密,本文建立的几何模型综合计算精度和计算耗时两个因素考虑,网格数在7000到50000之间为宜。
4 结论
本文通过所建立的地源热泵U型管地下换热器模型、建筑负荷模型和热泵机组模型在FLUENT软件内部直接耦合,实现了利用FLUENT对整个地源热泵系统的数值模拟,提供了一种利用FLUENT研究U型管土壤换热器的新方
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