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《中国地质大学(北京)》 2020年
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砂土地表管道高效集与跨季节地下储热研究

王凯鹏  
【摘要】:随着社会的高速发展,对能源的需求与日俱增,传统的化石能源面临消耗殆尽的局面,因此,可再生能源的发展受到世界各国的重视。太阳能作为广泛存在的可再生清洁能源,对其实现高效收集和储存具有重要的生态环保意义,然而,目前太阳能热利用技术却存在成本高、功率小、转化的效率低等问题。鉴于此,本课题以实现低成本高效的太阳能与浅层地热能耦合的利用方式为目标,对地表管道集热和跨季节地下储热进行了研究,以期为清洁能源的发展提供技术支持。本文设计了浅层地温监测试验以及地表管道高效集热试验,探究了浅层地温以及管内水温的变化规律,对地表管道高效集热试验的影响因素(如太阳辐射强度、管道材质、管道空间位置、以及聚热墙等)展开分析讨论,并利用多元线性回归模型对管内水温进行温度预测。研究结果表明:地表附近(-0.01m)的土壤温度变化与当天太阳辐照强度的变化趋势基本一致;在白色塑料膜的覆盖下黑色PE管(G8)外皮与聚热墙和地面的距离分别为100mm和40mm时,管内水体获得了本次试验的最高热量;水温预测模型结果与实测数据变化趋势一致,误差较小;本文还利用Ansys Fluent软件根据现场试验对管内水体、聚热墙体等的温度场空间分布规律进行了模拟和分析,模拟结果表明:在一天之内,随着太阳方位角和高度角的变化,管内水体最高温度的位置以及靠近管道两侧的水温会发生明显的变化;在覆盖作用的模拟中,PE塑料膜的平均温度要高于聚热墙体的平均温度,而且在膜材与墙体相交的“条带状”区域的温度相对较高。其次,本文依据吐鲁番地区单层农村住宅建筑特性,对跨季节地下水池储热系统进行了设计。利用DeST-H软件求得单层住宅供暖期间的累计耗热量,并依此确定水池容积,而且对水池的几何尺寸、保温层材料及厚度、埋深、蓄热管道进出口位置以及流速进行设计。为了验证地下储热水池设计的合理性和可行性,本文还对地下储热水池系统的蓄热、停机、取热三个阶段进行模拟,结果表明:在取热阶段,水池内水温下降较快,取热至第三个月末时的水温已降至34.0℃,直接供暖的方式已经无法满足供暖的需要,所以,在后续的供暖期内,可以采用水源热泵的方式进行间接供暖。
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