CN113742923A - 一种严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法。所述严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法包括以下步骤：S1：对严寒地区开发利用地热能源项目进行计算分析；S2：采用能源系统瞬时仿真软件，建立冷却塔加地埋管补热动态仿真模型；S3：采用冷却塔跨季节补热技术措施进行地下岩土体补热；S4：量化分析岩土温度恢复效果，评估该技术措施可行性。本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法具有通过增大向地下岩土的排热量，可实现地下岩土的冷热平衡，代替了传统的燃气锅炉补热方式，节约了煤炭资源并减少了CO2的排放的优点。
Description
技术领域
本发明涉及新能源与高效节能技术领域，尤其涉及一种严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法。
背景技术
地热能资源根据行业研究方向不同有着不同划分原则，地质勘探行业根据地热资源的特点和现有的技术水平，直接地热能是指不进行能量转换而直接对地热能进行的利用，直接利用包含地热水的直接应用(如供暖、洗浴、温室、养殖等)、地源热泵供热制冷以及干热岩供热型地热能直接利用等。长春位于松辽盆地东偏南侧，区域纬度高，气候寒冷、冬季漫长，该区域赋能条件具有深层地热能丰富，但随着地热能的开采利用，土体的温度逐年降低，采用何种手段来解决严寒地区岩土体的冷热不均衡仍是一个棘手的问题。
因此，有必要提供一种新的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法解决上述技术问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种通过增大向地下岩土的排热量，可实现地下岩土的冷热平衡，代替了传统的燃气锅炉补热方式，节约了煤炭资源并减少了CO2的排放的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法包括：以下步骤：S1：对严寒地区开发利用地热能源项目进行计算分析；S2：采用能源系统瞬时仿真软件，建立冷却塔加地埋管补热动态仿真模型；S3：采用冷却塔跨季节补热技术措施进行地下岩土体补热；S4：量化分析岩土温度恢复效果，评估该技术措施可行性。
优选的，所述S1中根据各单体建筑项目暖通专业设计图纸、计算书进行规范，计算得到项目的全年逐时动态负荷分布，在无调节措施时，浅层埋管承担项目所有基础采暖热负荷和所有冷负荷情况下。
优选的，所述S2中采用TRNSYS软件，建立典型建筑全年逐时动态负荷计算模型，对冷却塔吸收空气热量向地埋管岩土补热进行逐时动态模拟计算，分析评估补热效果。
优选的，所述S3中所有浅层地埋管换热器全部进行补热并都与冷却塔循环，补热时间取室外空气能资源丰富时段。
优选的，补热时间取室外空气能资源丰富时段选取整个7月份，共计31天，744h。
优选的，所述S4中，根据冷却塔跨季节补热计算结果，在保证地源热泵系统满足夏季供冷需求的前提下，对浅层埋管周边岩土多补充一些热量，并进一步提高岩土温度，用于提高供暖季系统整体能效。
与相关技术相比较，本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法具有如下有益效果：
本发明提供一种严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法，通过增大向地下岩土的排热量，可实现地下岩土体的冷热平衡，代替了传统的燃气锅炉补热方式，节约了煤炭资源并减少了CO2的排放。
附图说明
图1为本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法的原理图；
图2为本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法的浅层埋管地源热泵系统地源侧全年逐时进出口水温；
图3为本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法的浅层埋管地源热泵系统岩土体温度全年逐时变化曲线；
图4为本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法的某市典型气象年全年逐时室外气象参数；
图5为本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法的补热时冷却塔和地埋管逐时出口水温(整个7月份数据，共744h)；
图6为本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法的补热时岩土体温度变化曲线(整个7月份数据，共744h)。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请结合参阅图1、图2、图3、图4和图5，其中，图1为本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法的浅层埋管地源热泵系统地源侧全年逐时进出口水温；图2为本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法的浅层埋管地源热泵系统岩土体温度全年逐时变化曲线；图3为本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法的某市典型气象年全年逐时室外气象参数；图4为本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法的补热时冷却塔和地埋管逐时出口水温(整个7月份数据，共744h)；图5为本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法的补热时岩土体温度变化曲线(整个7月份数据，共744h)。
根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012，某市的室外空气计算参数见表1：
表1某市室外空气计算参数
采用专业软件TRNSYS，建立典型建筑全年逐时动态负荷计算模型，计算得到项目的全年逐时动态负荷分布。
通过对办公建筑、宾馆建筑进行逐时负荷计算分析，得到全年逐时动态负荷分布曲线，分析得到各种业态建筑的全年累计耗热量、耗冷量数据信息见表2。
表2办公及酒店建筑逐时动态负荷计算结果
岩土冷热平衡计算(无调节措施)：在无岩土冷热平衡调节措施情况下，当浅层埋管地源热泵系统承担项目所有基础采暖累计热负荷和所有供冷累计冷负荷时(其中，基础采暖总累计热负荷1468.19万kWh，总累计冷负荷639.48万kWh)，地源热泵系统地源侧全年进出口水温及地下岩土温度变化曲线，如图1、图2所示。
本项目地处严寒气候区，项目全年热负荷需求量显著高于冷负荷，在浅层地埋管换热系统仅承担项目冬季基础采暖热负荷情况下，地源侧取热量仍高于排热量。由上图可知，岩土原始温度为10.63℃，系统运行一年后，年末岩土温度变为10.31℃，比年初降低了0.32℃。
若无岩土冷热平衡调节措施，在当前冷热负荷需求情况下，地下岩土温度将呈现逐年持续缓慢降低，使得浅层埋管地源热泵系统在冬季供热时系统性能将逐渐降低，供热难度越来越大，甚至可能出现系统无法稳定、可靠供热的情况。
岩土冷热平衡计算(跨季节补热)：对于严寒地区，建筑负荷特点为热负荷远高于冷负荷。为解决严寒地区地下岩土取热量大于排热量的问题，实现地下岩土冷热平衡，利用“跨季节补热”技术，在非供热季，可利用太阳能光热作用、采用冷却塔提取空气热能、中深层埋管向浅层埋管补热等等技术将热量排至浅层埋管地下岩土；或在条件允许情况下，也可增大浅层地埋管地源热泵系统供冷承担的建筑面积等措施；通过增大向地下岩土的排热量，可实现地下岩土的冷热平衡。
采用能源系统瞬时仿真专业软件TRNSYS，建立冷却塔+地埋管补热动态仿真模型，即在夏季室外空气能比较丰富时，开启冷却塔与地埋管直接循环，通过工质循环，将空气中热量带至地下岩土，以提高岩土温度，进行岩土温度修复。
为分析本项目冷却塔补热效果，取以下工况情景进行仿真计算：所有浅层地埋管换热器全部进行补热，都与冷却塔循环。补热时间取室外空气能资源丰富时段，本报告暂取整个7月份(7月1日～7月31日，共31天，共744h)。
在上述工况下，对冷却塔吸收空气热量向地埋管岩土补热进行逐时动态模拟计算，分析评估补热效果。
图3为长春市典型气象年全年逐时室外气象参数，经过整个7月份补热运行，浅层埋管岩土体温度由最开始的10.31℃上升到末了时刻的10.94℃，岩土体温升量达到0.63℃，补热时冷却塔和地埋管逐时出口水温及补热时岩土体温度变化曲线，如图4、图5所示。在无调节措施时，浅层埋管承担项目所有基础采暖热负荷和所有冷负荷情况下，全年温降量约为0.32℃。
可见，采用“冷却塔跨季节补热”能够完全弥补当前负荷情景下造成的岩土热损失，补热效果良好，可以作为本项目浅层埋管岩土冷热平衡的补热技术措施。
与相关技术相比较，本发明提供的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法具有如下有益效果：
本发明提供一种严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法，通过增大向地下岩土的排热量，可实现地下岩土体的冷热平衡，代替了传统的燃气锅炉补热方式，节约了煤炭资源并减少了CO2的排放。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对严寒地区开发利用地热能源项目进行计算分析；
S2：采用能源系统瞬时仿真软件，建立冷却塔加地埋管补热动态仿真模型；
S3：采用冷却塔跨季节补热技术措施进行地下岩土体补热；
S4：量化分析岩土温度恢复效果，评估该技术措施可行性。
2.根据权利要求1所述的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法，其特征在于，所述S1中根据各单体建筑项目暖通专业设计图纸、计算书进行规范，计算得到项目的全年逐时动态负荷分布，在无调节措施时，浅层埋管承担项目所有基础采暖热负荷和所有冷负荷情况下。
3.根据权利要求1所述的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法，其特征在于，所述S2中采用TRNSYS软件，建立典型建筑全年逐时动态负荷计算模型，对冷却塔吸收空气热量向地埋管岩土补热进行逐时动态模拟计算，分析评估补热效果。
4.根据权利要求1所述的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法，其特征在于，所述S3中所有浅层地埋管换热器全部进行补热并都与冷却塔循环，补热时间取室外空气能资源丰富时段。
5.根据权利要求4所述的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法，其特征在于，补热时间取室外空气能资源丰富时段选取整个7月份，共计31天，744h。
6.根据权利要求1所述的严寒地区岩土体补热的数值计算与仿真方法，其特征在于，所述S4中，根据冷却塔跨季节补热计算结果，在保证地源热泵系统满足夏季供冷需求的前提下，对浅层埋管周边岩土多补充一些热量，并进一步提高岩土温度，用于提高供暖季系统整体能效。
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