寒冷地區(qū)地埋管直接供冷系統(tǒng)數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、地表熱能是近年來才為人們所重視的一種新的可再生能源。本文提出了它的一種新的利用方式，即將土壤中的冷能通過土壤換熱器提取后直接提供給空調(diào)末端裝置的方式。而以這種方式進(jìn)行空調(diào)的系統(tǒng)便被稱為土壤冷源直接供冷空調(diào)系統(tǒng)，簡稱土壤直接供冷系統(tǒng)。
　　與人工冷源系統(tǒng)不同，土壤直接供冷系統(tǒng)這種自然冷源系統(tǒng)因不使用制冷機而不僅具有更為簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且擁有更大的性能系數(shù)。土壤直接供冷系統(tǒng)內(nèi)的工作流體僅為水，既相對廉價，又不會對環(huán)境造成任何的污染和

2、破壞。因為是直接利用，空調(diào)末端裝置的供水溫度不可避免地要較高，這導(dǎo)致了相對較差的除濕能力。進(jìn)一步說，該直接供冷系統(tǒng)更適合單獨用作去除建筑的顯熱負(fù)荷。另一方面，較高的供水溫度使得該系統(tǒng)的送風(fēng)溫度也較高，因而熱舒適性較好。
　　本文首先通過所搭建的實驗裝置觀察了該直接供冷系統(tǒng)所取得的性能，并對其參數(shù)特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)地分析。垂直 U型埋管土壤換熱器是土壤直接供冷系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵部件。為了能夠在以較短時間（1個小時或更短）為模擬步長的條

3、件下較為準(zhǔn)確地預(yù)測該部件的性能，并同時兼顧計算效率，本文提出了它的一個在時間上混合數(shù)值與解析方法的溫度響應(yīng)因子模型（也稱g函數(shù)模型）。其中，用于發(fā)展短時間尺度響應(yīng)因子的累積常熱流模型由所建的經(jīng)解析和實驗雙重驗證的基于 Delaunay三角網(wǎng)格的三維非結(jié)構(gòu)有限容積耦合數(shù)值模型重構(gòu)得到；而中、長時間尺度響應(yīng)因子的發(fā)展則使用所推導(dǎo)的基于有限線源理論的多鑿孔解析g函數(shù)模型。除土壤換熱器模型外，本文還建立了風(fēng)機盤管模型、通斷控制風(fēng)機盤管水系統(tǒng)模型

4、和變頻泵模型，并通過對部件間物理聯(lián)系的補充，完成了該直接供冷系統(tǒng)模型的建立。以哈爾濱地區(qū)一辦公建筑為例，在所設(shè)計的土壤直接供冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用所建系統(tǒng)模型模擬分析了該系統(tǒng)全年的運行和性能特性。
　　本文所提出的土壤換熱器模型集成了如下六點特征：1）使用 Delaunay三角化方法網(wǎng)格鑿孔區(qū)域，從而完好地保留了鑿孔內(nèi)部原有的幾何結(jié)構(gòu)；2）考慮流體在兩管腳內(nèi)的連續(xù)流動，不再割裂管內(nèi)流體與其周圍土壤之間以及兩管腳之間的耦合傳熱過程；3

5、）將土壤進(jìn)行豎向分層，以說明管內(nèi)流體溫度沿其流向的變化對鑿孔區(qū)域傳熱過程的影響；4）累積常熱流模型基于逆向思維重構(gòu)得到，因而很好地繼承了原有數(shù)值模型的三維耦合性質(zhì)；5）多鑿孔 g函數(shù)模型由單鑿孔解析g函數(shù)模型利用疊加原理發(fā)展得到，不僅計算效率很高，而且非常靈活，可處理任意的鑿孔排列形式（無論對稱還是非對稱）；6）將數(shù)值g函數(shù)與解析 g函數(shù)在時間上相接合，以盡可能地發(fā)揮它們在各自時段內(nèi)的比較優(yōu)勢。面對具有很大運行不確定性的通斷控制風(fēng)機盤管