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寒冷地区地埋管直接供冷系统数值模拟与试验研究

李忠建  
【摘要】:地表热能是近年来才为人们所重视的一种新的可再生能源。本文提出了它的一种新的利用方式,即将土壤中的冷能通过土壤换热器提取后直接提供给空调末端装置的方式。而以这种方式进行空调的系统便被称为土壤冷源直接供冷空调系统,简称土壤直接供冷系统。 与人工冷源系统不同,土壤直接供冷系统这种自然冷源系统因不使用制冷机而不仅具有更为简单的系统结构,而且拥有更大的性能系数。土壤直接供冷系统内的工作流体仅为水,既相对廉价,又不会对环境造成任何的污染和破坏。因为是直接利用,空调末端装置的供水温度不可避免地要较高,这导致了相对较差的除湿能力。进一步说,该直接供冷系统更适合单独用作去除建筑的显热负荷。另一方面,较高的供水温度使得该系统的送风温度也较高,因而热舒适性较好。 本文首先通过所搭建的实验装置观察了该直接供冷系统所取得的性能,并对其参数特性进行了较为系统地分析。垂直U型埋管土壤换热器是土壤直接供冷系统中的一个关键部件。为了能够在以较短时间(1个小时或更短)为模拟步长的条件下较为准确地预测该部件的性能,并同时兼顾计算效率,本文提出了它的一个在时间上混合数值与解析方法的温度响应因子模型(也称g函数模型)。其中,用于发展短时间尺度响应因子的累积常热流模型由所建的经解析和实验双重验证的基于Delaunay三角网格的三维非结构有限容积耦合数值模型重构得到;而中、长时间尺度响应因子的发展则使用所推导的基于有限线源理论的多凿孔解析g函数模型。除土壤换热器模型外,本文还建立了风机盘管模型、通断控制风机盘管水系统模型和变频泵模型,并通过对部件间物理联系的补充,完成了该直接供冷系统模型的建立。以哈尔滨地区一办公建筑为例,在所设计的土壤直接供冷系统的基础上,利用所建系统模型模拟分析了该系统全年的运行和性能特性。 本文所提出的土壤换热器模型集成了如下六点特征:1)使用Delaunay三角化方法网格凿孔区域,从而完好地保留了凿孔内部原有的几何结构;2)考虑流体在两管脚内的连续流动,不再割裂管内流体与其周围土壤之间以及两管脚之间的耦合传热过程;3)将土壤进行竖向分层,以说明管内流体温度沿其流向的变化对凿孔区域传热过程的影响;4)累积常热流模型基于逆向思维重构得到,因而很好地继承了原有数值模型的三维耦合性质;5)多凿孔g函数模型由单凿孔解析g函数模型利用叠加原理发展得到,不仅计算效率很高,而且非常灵活,可处理任意的凿孔排列形式(无论对称还是非对称);6)将数值g函数与解析g函数在时间上相接合,以尽可能地发挥它们在各自时段内的比较优势。面对具有很大运行不确定性的通断控制风机盘管水系统,本文提出了所谓“时间守恒”原则,并在此原则基础上对已存在的范围模型进行了改进,从而为这类系统的模拟提供了一条可能的途径。水泵是该直接供冷系统中的主要耗能部件,因此其模型建立的好坏直接关系到系统性能预测的准确与否。本文所发展的变频泵模型不仅能够模拟名义转速下的部分负荷工况,而且还能模拟非名义转速工况。这其中包括了对部分负荷下泵效率、电机效率和变频器效率变化的说明。


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