太阳能土壤埋管蓄热装置运行策略研究

摘要

太阳能季节性土壤埋管蓄热系统可弥补太阳能季节性分布与供暖需求不匹配的问题，提高供暖系统太阳能保证率，增强系统稳定性，在工程中得到广泛应用。土壤埋管换热器换热特性对该系统性能起关键作用，系统运行策略及土壤热物性又对埋管换热器换热特性有较大影响，但现有文献对其影响规律的研究较少，本文对此进行了深入研究。
　　本研究以兰州地区的重塑黄土作为蓄热介质，通过实验研究了重塑黄土的压实工艺参数对其热物性的影响规律。基于兰州地区重塑黄土的优化热物性参数，运用计算流体力学(CFD)软件建立了小型水平埋管土壤蓄热器的数值模型，并通过实验验证了其准确性，通过数值模拟方法研究了间歇蓄放热运行模式关键参数与埋管换热器换热效率之间的相关关系，拟合出了二者之间的定量关系式。在此基础上，运用CFD软件建立了大型太阳能季节性水平埋管土壤蓄热系统的缩比模型，通过数值模拟方法研究了缩比系统运行策略对土壤蓄热器蓄放热特性的影响规律。蓄热介质热物性测试结果表明，兰州地区重塑黄土的热物性与压实工艺参数之间有显著的相关关系，在压力一定的条件下，当黄土含水率在6%～19%之间变化时，重塑黄土导热系数与含水率成正相关，随含水率的增大，导热系数先快速增加，后缓慢增长；在含水率一定的条件下，重塑黄土导热系数与压力亦成正相关，随压力的增大，导热系数的增速表现出先慢后快的特点。实验测得的重塑土导热系数最大可达到1.78W/(m·K)，根据导热系数的测量结果拟合出了重塑土导热系数的经验计算公式。土壤蓄热器数值模拟结果表明间歇蓄热运行参数对埋管换热器换热特性有很大影响，间歇次数一定，间歇时间占比逐渐增加时，埋管换热功率不断增大，且其增速也逐渐提高。间歇时间占比一定，间歇次数在2～12次范围内增加时，埋管换热功率不断提高，随间歇次数增大，埋管换热功率的增速逐渐减少。太阳能土壤蓄热系统研究结果表明，蓄热起始时刻对系统蓄热特性有明显影响，蓄热起始时刻从8:00逐步推迟到18:00时，日蓄热量逐渐减少，且减少速度逐渐加快，蓄热平均功率近似成线性增加。拟合出了兰州地区重塑黄土热物性与压实工艺参数之间的定量关系式，得出了间歇蓄热运行参数与埋管换热器换热效率之间的相关关系，研究了太阳能水平埋管重塑黄土季节性蓄热系统的蓄热特性，对于以兰州地区重塑黄土为蓄热介质的太阳能季节性蓄热系统工程的设计和运行策略优化具有重要的参考价值。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 存在的问题

1.4 本文主要研究内容

第2章 兰州地区重塑黄土热物性研究

2.1实验方法

2.2 实验结果

2.3 重塑黄土导热系数公式拟合

2.4本章小结

第3章 埋管蓄热装置及其CFD模型建立

3.1小型水平埋管蓄热装置的搭建

3.2 小型水平埋管土壤蓄热装置蓄热体FLUENT模型的建立

3.3本章小结

第4章 间歇运行模式下埋管换热器的换热特性研究

4.1埋管换热器间歇运行参数

4.2间歇运行参数对埋管换热速率的影响

4.3埋管换热速率拟合公式

4.4本章小结

第五章 运行策略对太阳能土壤蓄热系统热性能的影响

5.1太阳能水平埋管土壤蓄热系统FLUENT模型

5.2蓄热起始时刻的影响

5.3间歇运行模式的影响

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士期间所发表的论文

附录B 太阳能土壤埋管蓄热系统模型UDF程序示例