土壤蓄冷与热泵集成系统地埋管热渗耦合理论与实验研究

摘要

土壤源热泵系统(Ground Source Heat Pump System，GSHPS)因其使用可再生的浅层地热能，被称为是21世纪一项最具有发展前途的、具有节能和环保意义的制冷空调技术。制约土壤源热泵技术发展的因素很多，其中，地下埋管换热器一直是土壤源热泵技术的研究关键，而现有的地下埋管换热器计算模型都是基于单一的热传导理论以及确定的岩土导热系数和容积热容基础上的，没有考虑地下水渗流的影响。但是对于垂直U型埋管来说，管段大部分位于土壤饱和区内，实际上其穿透的地层中总是存在着地下水的渗流，尤其是在沿海（河、湖泊）地区或地下水丰富的地区，埋管的传热性能大部分都受到地下水渗流的影响，此时土壤内发生的是热传导和地下水渗流共同作用下的复杂的、非稳定的传热传质过程（简称热渗耦合传热过程）。此外，由于现场对岩土热物参数的测试及分析也都仅考虑了热传导的影响，这势必影响现场测试结果的精度，最终又会引起换热器大小的变化，使土壤源热泵的经济性受到挑战。
　　此外，针对夏热冬冷地区的冬夏负荷不平衡问题以及电力紧张局面，课题组成员为了解决该两项问题提出了一种全新的系统-土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统，该系统充分利用了蓄冷技术与土壤耦合热泵技术的优点，将土壤耦合热泵系统的地下埋管换热器兼作蓄冷装置，在夜间电力低谷时段，将冷量部分或全部贮存到地下，以供白天用电高峰时段空调之用。
　　基于此，本文对这种新型集成系统的地下埋管换热器在热渗耦合理论下的传热特性展开了理论和实验研究（本文研究为国家自然科学基金(No.50378024)项目的一部分）。
　　通过理论分析，建立了热渗耦合理论下的地下埋管换热器的数学模型，根据管群物理模型的复杂性，采用了非结构化网格划分；由于该传热问题为耦合传热问题，因此采用了整场求解方法以避免边界上的反复迭代计算。通过数值模拟，从理论上分析了有、无地下水渗流土壤中地下埋管换热器的换热性能，并且进一步分析了有渗流土壤中埋管管材、土壤类型、埋管间距、系统预蓄冷时间、管内流体流量、地下水流速、地下水位线等因素对系统冬夏运行特性的影响，为地下埋管换热器的优化设计、系统与运行模式的优化及参数匹配等方面提供理论支持与技术储备。
　　对集成系统的全年运行特性进行计算分析，针对夏热冬冷地区的冬夏负荷不平衡特点，为了既能满足各工况的要求，又能最大限度的降低蓄冷损失，将全年运行过程分为7个时段，通过对系统的全年运行特性分析以论证该集成系统在冬夏负荷不平衡地区应用的可行性，加速该集成系统应用于实际工程的进程。
　　依据达西定律实验，采用电加热器充当线热源模拟地下盘管，采用固定、移动水箱来创建稳定的渗流工况，建立了模拟地下水流过盘管区域的砂箱实验台，一方面通过实验验证本文所建立的地下埋管换热器热渗耦合数学模型及其实现过程的正确性、可靠性；另一方面通过实验分析无渗流土壤、饱和土壤以及有渗流土壤中地下水温度（即土壤初温）、速度、以及埋管负荷对盘管及其周围土壤温度场的影响，为土壤源热泵的工程实践提供基础数据储备。
　　本论文的研究将使土壤源热泵系统的设计以及工程应用更为合理化，为土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统在冬夏负荷不平衡地区的应用提供了理论基础和技术储备。

目录

土壤蓄冷与热泵集成系统地埋管热渗耦合理论与实验研究

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH ON GEOTHERMAL HEAT EXCHANGER IN THE INTEGRATED SOIL COOL THERMAL STORAGE AND GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEM UNDER COUPLED HEAT CONDUCTION AND GROUNDWATER ADVECTION

摘要

Abstract

符号表

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及其理论与实际意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文的主要工作

第2章 地下埋管换热器理论模拟的传热分析

2.1 地下水相关概念

2.2 地下埋管换热器传热过程分析

2.3 地下埋管换热器传热过程的物理模型

2.4地下埋管换热器传热过程的数学模型

2.5 模型的数值求解

2.6 模拟计算的程序实现

2.7 本章小结

第3章 有渗流土壤中系统全年运行特性影响因素的研究

3.1 管群形式及联管方式对系统运行特性的影响

3.2埋管间距对系统运行特性的影响

3.3 埋管管材对系统运行特性的影响

3.4土壤状况对系统运行特性的影响

3.5前期预蓄冷时间对系统运行特性的影响

3.6管内流体流量对系统运行特性的影响

3.7 本章小结

第4章 地下水渗流对系统运行特性的影响研究

4.1 有无地下水流动对系统运行特性的影响

4.2 地下水流速对系统运行特性的影响

4.3 地下水位线对系统运行特性的影响

4.4 本章小结

第5章 有渗流土壤中系统全年连续运行特性分析

5.1 建筑概况

5.2水/水热泵机组的数学模型

5.3系统运行模式

5.4全年运行特性模拟分析

5.5 本章小结

第6章 有渗流土壤中系统运行的实验验证及分析

6.1 实验的目的

6.2 实验台简介

6.3实验条件的模拟实现

6.4 理论模拟与实验验证

6.5实验结果与分析

6.6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致谢

个人简历