基于地埋管的太阳能季节性蓄热的地下传热数值分析

摘要

地埋管地源热泵系统近年来在建筑工程中得以迅速推广应用。地埋管地源热泵适用的条件之一是地下冷热负荷基本平衡。这在一定程度上限制了其在我国北方寒冷地区的应用。热负荷大于冷负荷时，土壤的温度场得不到有效恢复，导致地源热泵的效率降低甚至停止运行。为了解决当这一问题，本文对以地埋管地源热泵系统为基础的太阳能季节性蓄热进行了初步研究。基于地埋管的太阳能季节性蓄热既弥补了地埋管地源热泵的局限性，又充分利用了太阳能，而且克服了太阳能昼夜交替及季节性变化、间歇性、不可靠性等问题。
　　 首先以地埋管换热器与土壤的传热蓄热为研究对象，建立了地埋管与土壤传热的三维数值模型。通过数值模拟，对蓄热特性进行了分析。蓄热不仅能够通过补热使土壤的吸、放热平衡，也能够增大冬季地埋管内流体的进出口温差，增大换热量。
　　 其次对单个埋管的蓄热情况进行了模拟，分析了埋管换热器运行两年土壤的温度变化情况，并且给出了土壤夏季的蓄热量、冬季的取热量及取热率。模拟了土壤的热作用半径与蓄热时间的关系。
　　 接着模拟了多个埋管的蓄热情况。分析了埋管间距、流体进口温度、流体进口速度、土壤的热物性等多种因素对蓄热的影响。重点对各影响因素的温度场、蓄热量、取热量进行了分析。并对单个埋管蓄热和多个埋管蓄热夏季单位钻孔的蓄热量和冬季单位钻孔的取热量进行了分析比较，得出管群蓄热的热利用率大于单管的。
　　 最后，研究了间歇运行对土壤温度场和埋管夏季蓄热的影响。而且，探讨了秋季蓄热和夏季蓄热的差别，分析了夏季蓄热和秋季蓄热的热利用率等。同时，研究了部分地埋管蓄热以恢复整个蓄热体温度的可能性。
　　 研究结果表明：利用已有地埋管进行太阳能季节性蓄热可行，对寒冷地区十分必要。上述成果与结论，对太阳能季节性蓄热的研究与应用具有指导与借鉴作用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 太阳能蓄热技术在国外的发展现状

1.2.2 太阳能蓄热技术在国内的发展现状

1.2.3 本文主要研究内容

第2章 太阳能及太阳能蓄热概述

2.1 我国太阳能资源

2.1.1 我国太阳能资源的分布

2.1.2 太阳能的特点

2.2 太阳能蓄热方式

2.3 太阳能季节性蓄热方式

2.4 基于地埋管的太阳能跨季蓄热系统的运行模式

第3章 地埋管换热器换热过程的理论分析

3.1 地下埋管换热器传热过程

3.2 土壤跨季蓄热物理模型的建立

3.3 数学模型的建立

3.4 网格划分

3.5 边界条件的确定

3.6 本章小结

第四章 土壤蓄热特性的研究

4.1 土壤蓄热的必要性

4.2 单个埋管的土壤蓄热

4.2.1 蓄热过程分析

4.2.2 热作用半径

4.3 多个埋管的土壤蓄热

4.3.1 埋管间距对蓄热的影响

4.3.2 流体进口温度对蓄热的影响

4.3.3 流体进口速度对蓄热的影响

4.3.4 土壤的热物性对蓄热的影响

4.3.5 间歇运行对蓄热的影响

4.3.6 地埋管使用情况对蓄热的影响

4.3.7 蓄热时间对蓄热的影响

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结果与结论

5.2 建议与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况