太阳能-U形埋管土壤蓄热特性数值模拟与实验验证

为了探讨利用太阳能-地源热泵系统中现有钻孔U形埋管进行太阳能跨季节性土壤蓄热的可行性及其特性,基于多孔介质传热传质及地下水渗流理论,建立了考虑地下水渗流与热湿迁移影响的准三维U形埋管土壤蓄热的数学模型.基于对模型的数值求解,探讨了间歇蓄热运行模式及地下水渗流对U形埋管土壤蓄热特性的影响,结果显示:间歇蓄热方式有利于土壤温度的恢复,从而可提高蓄热效率;同时,地下水渗流的存在可以强化地下埋管的换热效果,但不利于用埋管作为蓄热装置.实验验证表明,埋管日平均出口温度及日蓄热的计算值与实验值随时间的变化规律一致,其平均相对误差为5.6％.所建模型为U形埋管土壤蓄热及其传热特性的研究提供了理论基础.     

太阳能光伏电池输出特性的理论分析

基于Shockley二极管理论的I-V特性曲线方程,对太阳能光伏电池的输出特性及各参数的影响因素进行了理论分析.结果表明:增加太阳辐射,降低电池温度、串联电阻和二极管反向饱和电流值均可提高光伏电池的输出性能,增大开路电压和短路电流有助于提高其输出功率和效率,且开路电压与输出效率、短路电流与最大输出功率之间分别存在关联性;受气候条件的影响,冷季节效率高,热季节输出功率大,且最大输出功率和效率的大小各自取决于太阳辐射和室外气温.     

土壤源热泵供冷供热运行特性的实验研究

在已建成的太阳能-地热能综合利用多功能热泵实验台上,进行了土壤源热泵夏冬季节供冷供热工况的启动与间断运行特性实验.实测结果表明:实验土壤源热泵夏冬季运行的启动时间分别为8～9 h与10 h,其对应的单位长度埋管放热量与吸热量分别为46与24.6 W/m,钻孔平均导热系数分别为3.4与4.95 W/(m·℃).同时,根据建筑负荷特性,采用可控间断运行方式,通过合理调节开停机时间比例,可以在满足建筑负荷要求的前提下,减缓埋管周围土壤温度随时间的变化率,提高单位埋管的换热能力,从而更有利于提高浅层地热能的利用效率.     

非连续运行工况下垂直地埋管换热器的换热特性

为了探讨非连续运行条件下地埋管的换热特性,基于相似理论搭建了地下换热模型试验台,进行了不同间歇运行工况的试验测试;建立了垂直U型埋管换热器二维非稳态传热模型,分析了单工况间歇运行、双工况交替运行及地下岩土类型对非连续运行条件下土壤温度分布特性的影响.结果表明:合理的间歇运行模式有利于埋管周围土壤温度快速恢复,从而可有效提高浅层地热能利用率;对于单工况间歇模式,等负荷强度变运停时间比时土壤温度恢复效果随间歇时间增加而增加;当放热量一定时,土壤温度波动较大,但并不一定能显著改善机组运行效果.对于双工况交替模式,均可显著降低土壤温升率,且间歇双工况交替比连续交替可增加全年土壤取放热不平衡率.此外,土壤导热系数与热扩散率越好,其温度恢复越快.实验表明:所建模型预测温度的计算值与实验值最大绝对误差为0.45℃,相对误差小于5%.     

跨季节蓄能型地源热泵地下蓄能与释能特性

为了探讨跨季节蓄能型地源热泵地下蓄能与释能特性,以垂直U形埋管地下蓄能区域为研究对象,建立了准三维蓄能传热数学模型.分析了蓄能过程中土壤热作用半径与蓄热率随运行时间的变化及全年运行过程中土壤温度的动态变化规律,探讨了土壤类型与释热率对地下蓄能与释能特性及全年土壤热平衡问题的影响.结果表明:蓄能过程中不同半径处土壤温度会逐渐升高,热作用半径随时间而增大,但逐渐趋于平稳;同时,土壤类型对蓄能过程中热扩散半径与速度有影响;此外,负荷不平衡率与土壤类型对全年土壤热平衡也有一定的影响.实验验证表明,所建地下蓄能传热模型可有效模拟地下蓄能与释能过程.研究结论对跨季节蓄能型地源热泵系统的优化设计与运行具有重要指导意义.     

地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟

以钻孔壁为界将U型埋管的换热区域划分为钻孔内外两部分,并分别采用稳态与非稳态传热来分析求解,两区域模型间通过钻孔壁温耦合连接,以构成完整的埋管传热模型.对于钻孔以外部分,采用变热流圆柱源模型来求解钻孔瞬时壁温.钻孔以内部分,在考虑埋管流体温度的沿程变化及U型管2支间热干扰的基础上,基于能量平衡建立了钻孔内U型埋管的稳态传热模型.用所建U型埋管传热模型对地源热泵系统的运行特性进行了动态模拟,得出了埋管出口流体温度、钻孔瞬时壁温、单位埋管吸热量及热泵COP随运行时间的变化规律.所建埋管模型可为地源热泵系统的动态模拟、优化设计及其改进提供参考.     

渗流作用下能源桩的换热性能及热-力耦合特性

为了探寻实际工程中能源桩桩周土壤地下水渗流对能源桩传热性能和热-力耦合特性的影响，建立了考虑地下水渗流的能源桩热-力耦合数值模型，探讨了夏季工况下地下水渗流对能源桩热力学性质的影响。结果表明：夏季工况下能源桩在60 m/a水平渗流场作用下的换热量相对于无渗流情况可增加1.34倍，桩体温升可降低9.12%,地下水的流动降低了桩体位移、桩体轴力、侧摩阻力的变化幅度，还使得能源桩可以更快地达到稳定运行工况；在地下水渗流的影响下，渗流上游的土壤热影响范围明显缩小，但渗流下游的热影响范围显著扩大。