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末端裝置的方式。而以這種方式進行空調的系統(tǒng)便被稱為土壤冷源直接供冷空調系統(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)結構，而且擁有更大的性能系數(shù)。土壤直接供冷系統(tǒng)內的工作流體僅為水，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，空調末端裝置的供水溫度不可避免地要較高，這導致了相對較差的除濕能力。進一步說，該直接供冷系統(tǒng)更適合單獨用作去除建筑的顯熱負荷。另一方面，較高的供水溫度使得該系統(tǒng)的送風溫度也較高，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、件下較為準確地預測該部件的性能，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)展短時間尺度響應因子的累積常熱流模型由所建的經解析和實驗雙重驗證的基于 Delaunay三角網格的三維非結構有限容積耦合數(shù)值模型重構得到；而中、長時間尺度響應因子的發(fā)展則使用所推導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，本文還建立了風機盤管模型、通斷控制風機盤管水系統(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，在所設計的土壤直接供冷系統(tǒng)的基礎上，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三角化方法網格鑿孔區(qū)域，從而完好地保留了鑿孔內部原有的幾何結構；2）考慮流體在兩管腳內的連續(xù)流動，不再割裂管內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、）將土壤進行豎向分層，以說明管內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得到，因而很好地繼承了原有數(shù)值模型的三維耦合性質；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的比較優(yōu)勢。面對具有很大運行不確定性的通斷控制風機盤管