冷热负荷非平衡地区土壤源热泵土壤热失衡问题的研究

摘要

土壤热失衡问题作为近些年土壤源热泵应用中所出现的亟待解决的难点及关键问题，已在一定程度上直接影响了其正确推广与健康发展。本文通过理论分析、数值模拟及实验相结合的研究方法，以控制地下土壤热平衡为目的，以供冷为主地区为例，分析了土壤源热泵在冷热负荷非平衡条件下，不同因素对地下换热区域土壤温度动态变化特征的影响及其控制措施，以期为土壤源热泵土壤热失衡的控制提供理论基础与技术支持。 理论方面，本文建立了考虑地下水渗流的地下管群蓄热模型，采用MATLAB软件编写程序进行模拟，分析了放取热不平衡率、埋管间距、埋管布置形式、岩土类型及地下水渗流等因素对地埋管区土壤温度十年运行期变化规律的影响。结果表明:十年运行结束后，无地下水渗流时，地下埋管换热区域的土壤温度场沿轴线对称分布，且呈现出中心高外面低的分布状况;随放取热不平衡率的增大，埋管区域土壤温升率加大，土壤热失衡问题加剧;合理的埋管间距及采用条形或稀疏布置形式可减小埋管密集程度，有效控制土壤热失衡问题;对于需要强化热扩散的场合，宜采用热扩散率大的土壤以加快累积热量的扩散;此外，地下水渗流的存在可及时带走地下累积热量，从而可有效缓解或消除土壤热失衡问题。 为了进一步平衡全年地埋管的累积取放热量，以从根本上控制土壤热失衡问题，本文提出采用外部辅助冷却散热控制的措施，并模拟分析了外部辅助冷却设备作用于混合系统中的时间和散热强度（即控制向地下排热的时间与量）对地下土壤温度十年运行期变化规律的影响。结果表明:随冷却塔辅助散热运停时间比的增大及散热率的增加，埋管区域土壤温升率降低，土壤热失衡问题得到减缓;合理的冷凝热回收时间及热回收率，可以完全满足土壤温度的及时恢复，缓解甚至消除土壤源热泵系统长期运行所造成土壤热失衡问题。 实验方面，利用多功能复合型地源热泵实验台，展开了冷却塔—地埋管复合系统不同运行模式的实验研究，通过对地下埋管不同深度和半径方向土壤温度的采集以及4根地埋管与冷却塔进出口水温和流量的监测，分析得出了不同冷却塔辅助散热运行模式下地下换热区域土壤温度恢复特性。实验表明:带有外部辅助冷却塔的混合系统可以有效缓解土壤温度的急剧增加，降低地埋管的“热堆积”，提高土壤温度的恢复率。埋管半径方向的土壤传热有一定的延迟性，当运行时间小于24小时时，埋管热作用半径为0.5m。夜间电费低谷时开启冷却塔对地下埋管强制散热，有效提高了第二天埋管换热器的蓄热效果，这对于只需日间制冷的建筑是一种很好的选择模式。 本文的研究工作为土壤源热泵土壤热平衡控制的进一步深入研究提供了理论依据与实验数据，为土壤源热泵的实际工程应用提供了参考。

目录

符号说明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 能源消费现状

1．1．2 土壤源热泵技术

1．1．3 土壤热失衡问题的提出

1．2 土壤热失衡问题的国内外研究现状

1．3 本论文的主要研究内容

第二章 基于地下换热区域蓄能传热控制的土壤热失衡影响因素的研究

2．1 地下换热区域蓄能传热控制影响因素概述

2．2 地下换热区域蓄能传热模型的建立

2．2．1 物理模型

2．2．2 数学模型

2．3 模型的数值求解

2．3．1 计算区域的离散化

2．3．2 控制方程的离散化

2．3．3 求解代数方程组的算法选取

2．3．4 运行方式及其计算条件

2．4 数值计算及其结果分析

2．4．1 取放热不平衡率的影响

2．4．2 埋管间距的影响

2．4．3 埋管布置形式的影响

2．4．4 岩土类型的影响

2．4．5 地下水渗流的影响

2．5 本章小结

第三章 基于外部辅助冷却控制的土壤热失衡问题的研究

3．1 外部辅助冷却散热控制概述

3．2 冷却塔辅助散热控制对土壤热失衡问题的影响

3．2．1 冷却塔辅助散热时间的控制

3．2．2 冷却塔辅助散热率的控制

3．3 冷凝热回收控制对土壤热失衡问题的影响

3．3．1 冷凝热回收时间的控制

3．3．2 冷凝热回收率的控制

3．4 本章小结

第四章 冷却塔—地埋管复合系统运行模式的实验研究

4．1 实验目的与内容

4．2 实验系统介绍

4．2．1 实验系统原理及构成

4．2．2 实验系统所用仪器与设备

4．2．3 实验工况及流程

4．2．4 实验参数的测量

4．3 实验数据的处理与误差分析

4．3．1 实验数据的处理

4．3．2 实验误差分析

4．4 实验结果与分析

4．4．1 地埋管单独散热运行模式实验

4．4．2 冷却塔—地埋管复合系统联合散热运行实验

4．4．3 冷却塔—地埋管复合系统交替散热运行实验

4．3．4 各运行模式的比较

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要研究结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文与参与的研究项目

声明