土壤蓄冷與熱泵集成系統(tǒng)地埋管熱滲耦合理論與實驗研究.pdf

1、土壤源熱泵系統(tǒng)(Ground Source Heat Pump System，GSHPS)因其使用可再生的淺層地熱能，被稱為是21世紀一項最具有發(fā)展前途的、具有節(jié)能和環(huán)保意義的制冷空調技術。制約土壤源熱泵技術發(fā)展的因素很多，其中，地下埋管換熱器一直是土壤源熱泵技術的研究關鍵，而現(xiàn)有的地下埋管換熱器計算模型都是基于單一的熱傳導理論以及確定的巖土導熱系數(shù)和容積熱容基礎上的，沒有考慮地下水滲流的影響。但是對于垂直U型埋管來說，管段大部分位于土

2、壤飽和區(qū)內(nèi)，實際上其穿透的地層中總是存在著地下水的滲流，尤其是在沿海（河、湖泊）地區(qū)或地下水豐富的地區(qū)，埋管的傳熱性能大部分都受到地下水滲流的影響，此時土壤內(nèi)發(fā)生的是熱傳導和地下水滲流共同作用下的復雜的、非穩(wěn)定的傳熱傳質過程（簡稱熱滲耦合傳熱過程）。此外，由于現(xiàn)場對巖土熱物參數(shù)的測試及分析也都僅考慮了熱傳導的影響，這勢必影響現(xiàn)場測試結果的精度，最終又會引起換熱器大小的變化，使土壤源熱泵的經(jīng)濟性受到挑戰(zhàn)。
　　此外，針對夏熱冬冷地區(qū)

3、的冬夏負荷不平衡問題以及電力緊張局面，課題組成員為了解決該兩項問題提出了一種全新的系統(tǒng)-土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了蓄冷技術與土壤耦合熱泵技術的優(yōu)點，將土壤耦合熱泵系統(tǒng)的地下埋管換熱器兼作蓄冷裝置，在夜間電力低谷時段，將冷量部分或全部貯存到地下，以供白天用電高峰時段空調之用。
　　基于此，本文對這種新型集成系統(tǒng)的地下埋管換熱器在熱滲耦合理論下的傳熱特性展開了理論和實驗研究（本文研究為國家自然科學基金(No.50

4、378024)項目的一部分）。
　　通過理論分析，建立了熱滲耦合理論下的地下埋管換熱器的數(shù)學模型，根據(jù)管群物理模型的復雜性，采用了非結構化網(wǎng)格劃分；由于該傳熱問題為耦合傳熱問題，因此采用了整場求解方法以避免邊界上的反復迭代計算。通過數(shù)值模擬，從理論上分析了有、無地下水滲流土壤中地下埋管換熱器的換熱性能，并且進一步分析了有滲流土壤中埋管管材、土壤類型、埋管間距、系統(tǒng)預蓄冷時間、管內(nèi)流體流量、地下水流速、地下水位線等因素對系統(tǒng)冬夏運行

5、特性的影響，為地下埋管換熱器的優(yōu)化設計、系統(tǒng)與運行模式的優(yōu)化及參數(shù)匹配等方面提供理論支持與技術儲備。
　　對集成系統(tǒng)的全年運行特性進行計算分析，針對夏熱冬冷地區(qū)的冬夏負荷不平衡特點，為了既能滿足各工況的要求，又能最大限度的降低蓄冷損失，將全年運行過程分為7個時段，通過對系統(tǒng)的全年運行特性分析以論證該集成系統(tǒng)在冬夏負荷不平衡地區(qū)應用的可行性，加速該集成系統(tǒng)應用于實際工程的進程。
　　依據(jù)達西定律實驗，采用電加熱器充當線熱源模擬

6、地下盤管，采用固定、移動水箱來創(chuàng)建穩(wěn)定的滲流工況，建立了模擬地下水流過盤管區(qū)域的砂箱實驗臺，一方面通過實驗驗證本文所建立的地下埋管換熱器熱滲耦合數(shù)學模型及其實現(xiàn)過程的正確性、可靠性；另一方面通過實驗分析無滲流土壤、飽和土壤以及有滲流土壤中地下水溫度（即土壤初溫）、速度、以及埋管負荷對盤管及其周圍土壤溫度場的影響，為土壤源熱泵的工程實踐提供基礎數(shù)據(jù)儲備。
　　本論文的研究將使土壤源熱泵系統(tǒng)的設計以及工程應用更為合理化，為土壤蓄冷與土