太阳能深层土壤蓄热的数值模拟与实验研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论义摘要本文针对土壤源热泵冬季长期运行出现的问题，提出利用太阳能补热的思路，进行了太阳能蓄热实验，课题实施的目的是为了探讨蓄热方案的可行性。论文以实验研究为主，理论分析为辅，通过对实验数据和模拟数据的分析，探讨了影响蓄热的主要因素，即和蓄热运行及间歇比例的关系。进而验证太阳能移季利用的可行性。在理论方面，应用二维非稳态导热和能量守恒定律，建立了蓄热过程的数学模型。在求解模型时，考虑到了换热器管壁和土壤的接触热阻，定义了综合换热系数So:在计算贮热量时，由于水温沿着管子深

2、度方向不断变化，所以在纵向把换热器沿着深度方向离散成M份，再把各段的换热量相加，得出整个管子总换热量。文中采用了有限单元法对地下垂直埋管周围土壤的非稳态温度场进行了数值模拟，分析了换热器周围土壤温度变化的规律。在实验方面，根据实验数据，埋地换热器的进出口介质温差为2.53.5℃，三个月总蓄热量为3840.78MJ;同时，蓄热期间本实验设计开发的平板型太阳能集热器日平均效率达57.4%，性能良好。通过回归分析，还计算出了太阳能集热器的日间集热效率方程式。实验采用间歇运行方式，保证了土壤的恢复过程，

3、从而提高了蓄热效率。最后，对实验井和观测井测得的土壤温度分布与数值模拟的结果进行了比较，两者吻合较好。从而表明本文理论研究的数学模型是正确的。实验系统以及测试手段也是可靠的。关键词土壤蓄热有限单元法土壤温度场数值模拟哈尔滨工业人学工学硕士学位论文AbstractInthisarticle,itpresentsanewthoughtoftherestorationthermalbythesoilenergyinaccordancewiththeproblemthatiscomeforthfromt

4、hegroundsourceheatpumpinlongruninwinterandtakestheexperimentofthesolarenergythermalstorage.Thepurposeoftheimplementofthetaskisforthesaketoresearchthefeasibilityofthethermalstorageprogram.Thisdissertationmainlystudiestheexperimentandthetheoreticalanal

5、ysisissubsidiary.Themainfactorwhicheffectsthethermalstorageisresearchedbyanalyzingtheexperimentalandthesimulationdata,ietherelationbetweenthethermalstoragerunandintermitent.Thefeasibilityofthesolarenergyseason-shiftutilizationisfurtherstudied.Intheas

6、pectsoftheories,itfoundsthemathematicalmodeloftheprocessofthermalstoragebyusingofthetwo-dimensionunsteadystateheatconductandthelawoftheconservationofenergy.Whensolvingthemodel,thepipewalloftheexchangerandthethermalcontactresistanceareconsidered.Andsy

7、ntheticcoefficientofheatexchange(aa)isdefined.Whencalculatingthestoredthermal,becausethewatertemperatureiscontinuouslychangeablealongthedeepnessofthepipe,thelengthoftheexchangerisdiscreteintoMpartsinthelongitudinaldirectionandthequantityofheatexchang

8、eoftheeverysegmentsareaddedandthetotalquantityofheat-exchangeofthewholepipeiscalculated.Inthearticle,itnumericallysimulatestheunsteadystatetemperaturefieldaroundtheundergroundverticalburiedpipebythefiniteelementmethodandanalysesthelawaroundthesoiltem