严寒地区季节性自然冷源土壤蓄冷应用基础研究

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1、国内图书分类号：TU831.6学校代码：10213国际图书分类号：628.8密级：公开工学博士学位论文严寒地区季节性自然冷源土壤蓄冷应用基础研究博士研究生：杨涛导师：郑茂余教授申请学位：工学博士学科、专业：供热、供燃气、通风与空调工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2009年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU831.6U.D.C:628.8DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringAPPLICATIONBASICRESEARCHOFSOILCOLDSTORAGEWITHSEASONALNATU

2、RALENERGYINSEVERECOLDCLIMATESCandidate:YangTaoSupervisor:Prof.ZhengMaoyuAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:Heating,GasSupplying,Ventilation&Air-conditioningAffiliation:SchoolofMunicipal&EnvironmentEngineeringDateofDefence:December,2009Degree-Conferring-Institution:HarbinIn

3、stituteofTechnology摘要摘要为了降低夏季空调能耗、利用可再生能源，本文基于自然冷源移季利用的思想，提出一种新型的适用于严寒地区的季节性自然冷源土壤蓄冷系统。该系统以室外自然低温空气作为冷源，大地作为蓄冷储存装置，通过地下垂直U型埋管换热器将冷量储存在土壤之中，到了夏季再将其取出作为建筑空调的冷源使用。它与传统短期蓄冷方式相比，节省了占地面积大、耗资较多的蓄冷装置；由于换热器、蓄冷装置都在地下，系统运行平稳，构造简单；省去了电力制冷装置，运行成本低，无污染。该系统为空气自然冷源利用提出了一个新的应用领域。与传统的土壤源热泵系统不同的是：在季节性自然冷源土壤蓄冷系统

4、中，地下埋管充当蓄冷装置也作为吸热和排热的换热装置，具有双重功能；土壤蓄冷属于人工冻结作用下的土冻结过程，土壤冻结时土壤的物性也随之发生改变，影响地下埋管的传热性能；同时，土壤冻结会导致土壤水分梯度改变，引起土壤水分迁移，改变土壤的蓄冷能力，在热传导和对流换热的共同作用下，使土壤的传热能力增强；此外，土壤作为蓄冷介质，会与地表空气和周围自然土壤发生热交换，导致系统冷量损失。基于此，本文建立了地下垂直U型埋管换热器管群内、外层埋管的水热耦合数学模型以及温差传热冷量损失和预存冷量损失数学模型，提出了一个新的求解非线性相变传热问题的数值方法－“反求时间步长法”，使模型求解大为简化。除此

5、以外，本文补充了室内外换热器传热数学模型，完成了整个系统模型的建立。考虑到第二年系统蓄冷之前，土壤温度不可能恢复至原始状态，采用第二年蓄冷期结束时埋管周围土壤的内能与第一年保持不变的方法来调整第二年蓄冷时间，可保证系统的可持续运行。通过数值模拟，从理论上分析了土壤水迁移作用、埋管间距、蓄冷时间、土壤类型、不同含水量土壤及室外换热器换热面积等因素对系统运行特性的影响，研究了第一年和第二年，以及在不同埋管间距、蓄冷时间及土壤类型条件下系统蓄冷、释冷和停机过程中的冷量损失，为系统的优化设计与参数的合理匹配提供理论支持。选取沈阳和长春两个具有代表性的城市，针对其气候特点进行系统运行方案设

6、计，通过对全年运行过程进行模拟分析得出，该系统在严寒地区应用可以得到较好的运行效果，若在寒冷地区也可以作为空调冷源的重要补充。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文建立了哈尔滨地区季节性自然冷源土壤蓄冷现场实验系统，并对实验系统进行连续两年的测试。研究了系统的冬季蓄冷量，夏季释冷量，埋管进出口温度和井内土壤温度的变化规律，提出了影响性能系数的主要因素。实验结果表明：该系统在严寒地区应用是完全可行的。通过模拟结果与实测数据的比较，验证了本文中建立的数学模型的可靠性和正确性。针对冻融土壤温度场的数值模拟，分别采用传统计算方法与本文提出的“反求时间步长法”进行相变传热问题的求解，通过对比

7、发现，这种新方法不仅可以较为精确地求解冻融土壤的温度场，而且加快了修正时间步长的速率，使求解过程大为简化。该方法是对传统方法的改进，可为其它多维复杂相变传热问题求解提供参考。该系统为21世纪建筑提供了一种更为清洁、高效的空调蓄冷技术，本文所做的研究将会为该系统的应用提供理论支持和示范作用。关键词自然冷源；土壤蓄冷；水分迁移；水热耦合模型；反求时间步长法；冷量损失；特性分析-II-AbstractAbstractToreduceairconditioningenergyconsum