土壤蓄冷與熱泵集成系統(tǒng)地埋管熱滲耦合理論與實(shí)驗(yàn)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?zé)崮?，被稱(chēng)為是21世紀(jì)一項(xiàng)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(diào)技術(shù)。制約土壤源熱泵技術(shù)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(shù)的研究關(guān)鍵，而現(xiàn)有的地下埋管換熱器計(jì)算模型都是基于單一的熱傳導(dǎo)理論以及確定的巖土導(dǎo)熱系數(shù)和容積熱容基礎(chǔ)上的，沒(méi)有考慮地下水滲流的影響。但是對(duì)于垂直U型埋管來(lái)說(shuō)，管段大部分位于土

2、壤飽和區(qū)內(nèi)，實(shí)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(shí)土壤內(nèi)發(fā)生的是熱傳導(dǎo)和地下水滲流共同作用下的復(fù)雜的、非穩(wěn)定的傳熱傳質(zhì)過(guò)程（簡(jiǎn)稱(chēng)熱滲耦合傳熱過(guò)程）。此外，由于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)巖土熱物參數(shù)的測(cè)試及分析也都僅考慮了熱傳導(dǎo)的影響，這勢(shì)必影響現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果的精度，最終又會(huì)引起換熱器大小的變化，使土壤源熱泵的經(jīng)濟(jì)性受到挑戰(zhàn)。
　　此外，針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)

3、的冬夏負(fù)荷不平衡問(wèn)題以及電力緊張局面，課題組成員為了解決該兩項(xiàng)問(wèn)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(shù)與土壤耦合熱泵技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)段，將冷量部分或全部貯存到地下，以供白天用電高峰時(shí)段空調(diào)之用。
　　基于此，本文對(duì)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(kāi)了理論和實(shí)驗(yàn)研究（本文研究為國(guó)家自然科學(xué)基金(No.50

4、378024)項(xiàng)目的一部分）。
　　通過(guò)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(xué)模型，根據(jù)管群物理模型的復(fù)雜性，采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；由于該傳熱問(wèn)題為耦合傳熱問(wèn)題，因此采用了整場(chǎng)求解方法以避免邊界上的反復(fù)迭代計(jì)算。通過(guò)數(shù)值模擬，從理論上分析了有、無(wú)地下水滲流土壤中地下埋管換熱器的換熱性能，并且進(jìn)一步分析了有滲流土壤中埋管管材、土壤類(lèi)型、埋管間距、系統(tǒng)預(yù)蓄冷時(shí)間、管內(nèi)流體流量、地下水流速、地下水位線等因素對(duì)系統(tǒng)冬夏運(yùn)行

5、特性的影響，為地下埋管換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)與運(yùn)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(shù)儲(chǔ)備。
　　對(duì)集成系統(tǒng)的全年運(yùn)行特性進(jìn)行計(jì)算分析，針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的冬夏負(fù)荷不平衡特點(diǎn)，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(yùn)行過(guò)程分為7個(gè)時(shí)段，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的全年運(yùn)行特性分析以論證該集成系統(tǒng)在冬夏負(fù)荷不平衡地區(qū)應(yīng)用的可行性，加速該集成系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工程的進(jìn)程。
　　依據(jù)達(dá)西定律實(shí)驗(yàn)，采用電加熱器充當(dāng)線熱源模擬

6、地下盤(pán)管，采用固定、移動(dòng)水箱來(lái)創(chuàng)建穩(wěn)定的滲流工況，建立了模擬地下水流過(guò)盤(pán)管區(qū)域的砂箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文所建立的地下埋管換熱器熱滲耦合數(shù)學(xué)模型及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程的正確性、可靠性；另一方面通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析無(wú)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(fù)荷對(duì)盤(pán)管及其周?chē)寥罍囟葓?chǎng)的影響，為土壤源熱泵的工程實(shí)踐提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。
　　本論文的研究將使土壤源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及工程應(yīng)用更為合理化，為土壤蓄冷與土