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土壤蓄冷与释冷过程的模拟与试验验证点击：1626 日期：[ 2014-04-26 22:21:18 ] |
| 土壤蓄冷与释冷过程的模拟与试验验证 余延顺 马最良 姚杨 李先庭 (I.清华大学建筑技术科学系，北京100084;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090 摘要:结合土壤祸合热泵技术与冰蓄冷技术的特点，并在土壤蓄冷与土壤祸合热泵集成系统构想的基础上，建立了考虑土壤周期性冻融相变的土壤蓄冷、释冷过程的数学模型，并采用数值方法进行求解。通过建立模拟土壤蓄冷、释冷过程的砂箱试验台并由试验测试结果表明:所建模型的计算结果与试验数据吻合较好，二者偏差在10%以内。应用本文所建数学模型可对土壤蓄冷系统的蓄冷、释冷运行特性进行计算与分析，并为该集成系统的应用提供理论支持与技术储备。 关键词:冻融相变;地下埋管换热器;土壤蓄冷;土壤藕合热泵 中图分类号:TU832.1 文献标识码:A 0 引言 如何有效解决空调高峰用电负荷的转移及可再生能源在空调中的应用，是目前暖通空调行业的两大热点研究问题汇’〕。而在当前的制冷空调技术中，发展和应用空调蓄冷技术及地源热泵技术是解决这两大问题的主要途径之一。在这两种技术中，前者以转移空调高峰用电负荷为目的，后者则以利用可再生的地热能为基本出发点。但从目前二者发展的现状来看，蓄冷技术与地源热泵技术是两个不同的研究方向，因此，如何将二者有机地结合在一起使一个系统同时解决目前空调中的两大热点问题将是一个具有前瞻性的研究课题。 文献「 2一 4]在基于蓄冷技术与土壤藕合热泵技术的研究基础上，提出了以土壤作为蓄冷介质的土壤蓄冷与土壤藕合热泵集成系统的新设想。该集成系统是将蓄冷装置与地下埋管换热器合二为一，在夏季空调工况时，利用电力低谷时段的廉价电力，将冷量全部或部分贮存到土壤中，以供白天用电高峰时段空调使用;在过渡季节及冬季，系统按土壤祸合热泵系统的供冷或供暖工况运行，土壤作为热泵系统的低位冷热源。 土壤蓄冷与土壤藕合热泵集成系统是对蓄冷技术与土壤祸合热泵技术的继承与发展，同时在系统形式与技术理念上也是一种创新。目前以土壤作为蓄热、蓄冷介质的蓄能技术虽早有研究，但均为季节性的长期蓄热或蓄冷[5-91，而以土壤作为短周期、以电力削峰填谷为目的的蓄冷及与土壤藕合热泵技术结合应用方面的研究至今尚未见到报导。 本文将在作者前期研究工作的基础上，建立土壤蓄冷系统的蓄冷与释冷过程的数学模型，并采用数值方法进行求解;并搭建模拟土壤蓄冷过程的砂箱试验台对所建模型进行验证，为土壤蓄冷技术的应用提供理论基础与技术支持。 1 土壤蓄冷、释冷过程的数学模型 在土壤蓄冷系统中，由于地下埋管换热器具有双重功效，一方面作为蓄冷装置，另一方面作为土壤祸合热泵系统的换热装置，因此综合考虑土壤蓄冷与土壤祸合热泵系统的运行特点，地下埋管换热器采用如图1所示的等间距正六边形管束排列，埋管换热器采用垂直U型管。 在建立土壤蓄冷、释冷过程的数学模型时作如下假设: 1)土壤为均质、各向同性含湿多孔介质体; 2)忽略土壤冻融时的热湿迁移作用影响; 3)土壤水相变发生在一个小的温度范围内，且认为在冻结区和未冻结区土壤的物性为常数; 2 试验装置介绍 为验证土壤蓄冷系统的蓄冷、释冷过程数学模型的可靠性，建立了模拟土壤蓄冷过程的砂箱试验台。在该试验台中采用砂箱埋管来模拟地下换热器管束系统，试验台原理如图4所示。在砂箱中盘管铺设上、中、下3层，各层及各盘管的间距为0.5m，埋管总长度为32.9m，填埋砂土为通过人工加湿后的黄砂。试验测试时间选择在冬季，即利用哈尔滨室外的自然低温环境，通过室外风机盘管换热制备低温冷冻水作为系统的冷源，载冷剂采用质量浓度为30%的乙二醇水溶液;同时以电加热恒温水箱模拟系统的冷负荷，热水箱中设有3组功率分别为1000W x 2和50OW x 1的电加热器，其中一组1000W可通过调压器调节加热量;在盘管人口处设有一组50OW可调电加热器，以实现盘管入口水温的精确控制。在盘管的进出口和砂箱上、中、下3层埋管的不同断面设有Ptloo铂电阻温度传感器，逐时测量盘管的进出口水温和砂箱中盘管周围砂土的温度场分布。试验装置中各设备的规格及材料物性参数分别如表1和表2所示。 |
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