土壤高温蓄热过程中热湿传递特性的数值研究

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1、第33卷第9期可再生能源Vol.33No.92015年9月RenewableEnergyResourcesSept.2015土壤高温蓄热过程中热湿传递特性的数值研究陈红兵，吴玮，张磊，褚赛，丁翰婉（北京建筑大学环境与能源工程学院，北京100044）摘要：建立了一维土壤高温蓄热热湿传递模型，采用控制容积法对模型进行离散处理，利用Matlab软件编程求解，计算分析了热源温度和土壤初始含水率对土壤温湿度场分布的影响，探讨了地下土壤热湿传递特性及水分迁移规律。关键词：土壤高温蓄热；热湿传递；水分迁移；含水率中图分类号：TK529文献标志码：A文章编号：1671

2、-5292（2015）09-1376-05DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.09.0160引言场动态变化的影响，通过数值计算分析土壤中基多年来，土壤源热泵技术得到了迅速发展和本传热传质规律和温度场与湿度场的关联性，为应用，它利用地表浅层土壤储藏的能量，既可以用优化地下蓄热系统的设计提供依据。于冬季供暖，又可以用于夏天供冷，还可以用于全1模型的建立年提供生活热水。但是，在土壤源热泵技术使用过1.1物理模型程中也发现一些问题：大多数土壤源热泵系统运为简化研究，本文选取一个土壤柱为研究对[4]行初期的系统综合能效较高，运

3、行稳定；随着时间象（图1），仅考虑沿轴心方向的热湿传递。假定的推移，系统整体性能越来越差。这主要是由于冷条件如下：①土壤颗粒均匀，不可压缩，其中水分热需求不均衡，夏季向土壤中的排热量和冬季从为纯水且分布均匀；②忽略重力势、压力势和溶土壤中的取热量不同，导致地下土壤局部冷堆积质势的影响，传质的主要驱动力为单位距离的温或热堆积，土壤温度下降或上升，进而影响热泵系差及单位距离的含水率之差；③热源温度恒定；[1]统的运行性能。北方地区的热需求大于冷需求，④土壤的初始温度和初始含水率分布均匀；⑤土地下土壤温度逐年下降。近年提出的土壤源与其壤柱为绝热绝湿边界。他热

4、源相结合的复合热泵系统，在非采暖季通过热源太阳能、工业余热等把热量蓄存到土壤中，以此来Pj-1PjPj+1y方向[2]解决冬、夏季取、放热的均衡问题。y=0Δyy=L根据多孔介质传热传质理论，土壤在蓄热过程中并非是纯导热过程，土壤的含水率是动态变图1物理模型示意图Fig.1Schematicdiagramofphysicalmodel化的，蓄热过程中水分迁移和水蒸气扩散会引起土壤的物性改变，从而影响土壤的导热性能。因1.2数学模型此，在研究土壤的蓄热问题时，考虑土壤的热湿1.2.1液相水质量守恒22耦合现象是必要的。研究发现，土壤低温蓄热时坠S坠S坠T

5、=DS2+DT2（1）坠τ坠y坠y（＜40℃），其含水率对蓄热效果影响较小；高温蓄33热时（40～90℃），土壤含水率对土壤传热特性的式中：S为土壤的含水率，m/m；DS为液相水在2影响很大[3]。鉴于此，本文主要研究土壤高温蓄热土壤中的质扩散率，m/s，DS强烈依赖于S，取-8-7过程中热源温度和土壤湿度对土壤温度场和湿度DS=10+10S；DT为温差引起的液相水在土壤中收稿日期：2014-12-01。基金项目：北京市科技新星项目（2011029）；北京市青年拔尖人才项目（CIT&TCD201304067）；北京建筑学校级学术创新团队项目（21221

6、214104）。作者简介：陈红兵（1977-），男，博士，副教授，研究方向为太阳能利用与土壤源热泵技术。E-mail：chenhongbing@bucea.edu.cn·1376·陈红兵，等土壤高温蓄热过程中热湿传递特性的数值研究2-11[5]，[6]的质扩散率，m/s，DT=12e。土壤蓄热过程中，热源对含水率分布的影响范围1.2.2能量守恒大约为2.2m。坠T坠坠T坠S坠T0.20ddρc=（λ）+Dsφρlcl（2）d1d234坠τ坠y坠y坠y坠yd6d9d103式中：ρ为土壤的密度，ρ=2.7kg/m；c为土壤的比0.15-3m热容，c=172

7、0J/（kg·K）；φ为土壤的孔隙率，φ=3·/m0.4；ρ为土壤中液体的密度，ρ=1.0kg/m3；c为土0.10lll壤中液体的比热容，cl=4200J/（kg·K）；λ为土壤含水率0.05的导热系数，λ=1.44W/（m·K）。1.3边界条件及数值计算0本模型中土壤为绝热绝湿边界，热源为恒壁00.51.01.52.02.53.0与热源距离/m温条件。图2土壤含水率分布变化示意图在y=0处，Fig.2Variationofvolumetricwatercontentdistribution坠S坠T=0，=0（3）在土壤的蓄热过程中，存在热湿耦合现象

8、，即坠y坠y靠近热源的区域首先产生温度梯度，热量向远离在y=L处，坠S坠T热源的方向传递。在温