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土壤热湿传递与土壤源热泵的理论与实验研究

张玲  
【摘要】: 目前全世界都在致力于低能耗、无污染、可再生及新能源工程技术的研究与应用。在世界各国能耗总量中建筑业占重要地位,建筑能耗中又以供热和空调能耗为主,如何降低供热和空调能耗是当前研究的一个重点。热泵通过输入少量的能量,大量利用自然资源(如空气、水、土壤、太阳能)和余热资源(如废热)中的热量,可以实现低品位热能向高品位热能的转化,给人们提供了一条节约矿物燃料、合理利用能源、减轻环境污染的途径,因此热泵技术得到了广泛应用。 热泵一般分为三种类型:(1)空气源热泵;(2)水源热泵;(3)地源热泵。空气源热泵在我国冬季气候相对较温和的地区,已经得到广泛的应用。但在冬季寒冷地区,空气源热泵的制热效率大大下降,加上室外侧换热器的结霜等问题,其应用受到限制;水源热泵的应用受当地水资源的限制;而地源热泵是一种利用地下浅层低温地热资源的高效节能与环保的热泵空调系统。与空气源热泵相比,它并未得到广泛应用,主要是它的成本太高,而且缺少准确可靠的计算模型。 本文综述了土壤源热泵(地源热泵一种)的类型和各类土壤源热泵系统的优缺点。由于垂直埋管土壤源热泵系统具有占地面积小,不污染地下水的优点,是一种值得发展的热泵系统。但该系统初投资较高,一般需要采用合理的模型给予设计计算。然而由于现有的土壤传热模型忽略了水分迁移对传热的影响,使得埋地换热器的设计与实际需要产生偏差,致使土壤源热泵系统投资增加或使用效果不佳,限制了它的应用。本文在原有的垂直埋管土壤源热泵一维线源模型基础上,对土壤的传热传湿过程进行了进一步的研究,发展了传热传湿数学模型,并对模型中的水通量方程进行改进,对模型中土壤的各参数(土壤热导率、土壤初始温度及含水率等)进行了理论与实验分析,使之更加符合工程实际。 土壤热导率是土壤的一个重要热特性,本文利用“线源模型”理论搭建了测量热导率的实验装置,自制了探针,并用它测定了不同质量含水率下土壤和沙的的导热系数,进而得到土壤和沙的容重、导热系数、导温系数与质量含水率的关系。 自行搭建了一维土柱、沙柱传热传湿实验台,测试了不同土壤、沙水分含量和土壤中存在温差时,温度对土壤水分持有的影响程度,及土壤、沙中热量和水分迁移的相互作用。 搭建了U型竖埋土壤源热泵系统工程应用实验台,测试了实验地区土壤年温度变化规律、冬夏季热泵机组运行时大地的温度场、冬夏季机组室外侧换热器进出口水温、并确定了埋管换热器的传热系数。编制热湿传递计算程序,确定了不同含水率下单位井深土壤的换热能力和埋管周围温度场、埋管周围含水率的变化规律。 最后,论文对进一步的研究工作提出了一些初步建议,同时展望了地源热泵系统的应用前景。


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