嚴寒地區(qū)季節(jié)性自然冷源土壤蓄冷應用基礎(chǔ)研究.pdf

1、為了降低夏季空調(diào)能耗、利用可再生能源，本文基于自然冷源移季利用的思想，提出一種新型的適用于嚴寒地區(qū)的季節(jié)性自然冷源土壤蓄冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)以室外自然低溫空氣作為冷源，大地作為蓄冷儲存裝置，通過地下垂直 U型埋管換熱器將冷量儲存在土壤之中，到了夏季再將其取出作為建筑空調(diào)的冷源使用。它與傳統(tǒng)短期蓄冷方式相比，節(jié)省了占地面積大、耗資較多的蓄冷裝置；由于換熱器、蓄冷裝置都在地下，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，構(gòu)造簡單；省去了電力制冷裝置，運行成本低，無污染。該系統(tǒng)

2、為空氣自然冷源利用提出了一個新的應用領(lǐng)域。
　　與傳統(tǒng)的土壤源熱泵系統(tǒng)不同的是：在季節(jié)性自然冷源土壤蓄冷系統(tǒng)中，地下埋管充當蓄冷裝置也作為吸熱和排熱的換熱裝置，具有雙重功能；土壤蓄冷屬于人工凍結(jié)作用下的土凍結(jié)過程，土壤凍結(jié)時土壤的物性也隨之發(fā)生改變，影響地下埋管的傳熱性能；同時，土壤凍結(jié)會導致土壤水分梯度改變，引起土壤水分遷移，改變土壤的蓄冷能力，在熱傳導和對流換熱的共同作用下，使土壤的傳熱能力增強；此外，土壤作為蓄冷介質(zhì)，會與地

3、表空氣和周圍自然土壤發(fā)生熱交換，導致系統(tǒng)冷量損失。基于此，本文建立了地下垂直 U型埋管換熱器管群內(nèi)、外層埋管的水熱耦合數(shù)學模型以及溫差傳熱冷量損失和預存冷量損失數(shù)學模型，提出了一個新的求解非線性相變傳熱問題的數(shù)值方法－“反求時間步長法”，使模型求解大為簡化。除此以外，本文補充了室內(nèi)外換熱器傳熱數(shù)學模型，完成了整個系統(tǒng)模型的建立。
　　考慮到第二年系統(tǒng)蓄冷之前，土壤溫度不可能恢復至原始狀態(tài)，采用第二年蓄冷期結(jié)束時埋管周圍土壤的內(nèi)能與

4、第一年保持不變的方法來調(diào)整第二年蓄冷時間，可保證系統(tǒng)的可持續(xù)運行。通過數(shù)值模擬，從理論上分析了土壤水遷移作用、埋管間距、蓄冷時間、土壤類型、不同含水量土壤及室外換熱器換熱面積等因素對系統(tǒng)運行特性的影響，研究了第一年和第二年，以及在不同埋管間距、蓄冷時間及土壤類型條件下系統(tǒng)蓄冷、釋冷和停機過程中的冷量損失，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與參數(shù)的合理匹配提供理論支持。選取沈陽和長春兩個具有代表性的城市，針對其氣候特點進行系統(tǒng)運行方案設(shè)計，通過對全年運行過

5、程進行模擬分析得出，該系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)應用可以得到較好的運行效果，若在寒冷地區(qū)也可以作為空調(diào)冷源的重要補充。
　　建立了哈爾濱地區(qū)季節(jié)性自然冷源土壤蓄冷現(xiàn)場實驗系統(tǒng)，并對實驗系統(tǒng)進行連續(xù)兩年的測試。研究了系統(tǒng)的冬季蓄冷量，夏季釋冷量，埋管進出口溫度和井內(nèi)土壤溫度的變化規(guī)律，提出了影響性能系數(shù)的主要因素。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)在嚴寒地區(qū)應用是完全可行的。通過模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比較，驗證了本文中建立的數(shù)學模型的可靠性和正確性。