文档介绍：基于地道风的空气源热泵冷源状况动态分析

摘要:本文在分析土壤温度场及地道对空气的冷却特点的基础上,采用整场求解法对地道土壤——空气换热系统的空气温度及传热特性进行了数值模拟。从理论上探讨了夏季地道长度、地道内风速及地道中点埋深对该换热系统出口空气温度的影响。结果表明,在夏季,地道出口空气温度随地道入口处空气温度的周期性变化而呈周期性变化,且随着地道长度、地道中点埋深的增大而降低,随着地道内风速的减小而升高。这对于基于地道风的空气源热泵系统的实际应用有一定的参考价值。
关键词: 地道数值模拟整场求解节能
1 引言
能源与环境问题是当代世界各国面临的重大问题。目前,开发利用新能源和可再生能源已成为许多国家的重要发展策略。我国幅员辽阔,可再生能源在地理上分布不均,因此我们要充分结合地区特点,采用适当的暖通空调技术,因地制宜地发展可再生能源在暖通空调领域的应用。上个世纪60-70年代我国建了很多地道(包括防空洞、山洞、暗河、隧道等),有大量的人防工程可以利用,地道风资源非常丰富,仅山东省内地道面积就达到7000000。这些地道大多在地下10米左右,由于地面温度波衰减和延迟的作用,相对于室外温度而言,冬季空气温度高,夏季空气温度低。在夏季,利用储存于土壤中的能量来冷却室外空气,具有良好的节能效果和环保意义。因此,以地道风作为热泵的冷热源,不仅充分利用了自然能源,同时可以大大提高热泵的性能系数 COP, 节省大量能量,是一种健康、高效的能源利用方式。在夏季,基于地道风的空气源热泵系统的降温效果受室外气象参数、空气流速、地道结构尺寸等因素的影响。因此,准确模拟出土壤——空气换热系统的传热过程,分析各种因素对地道降温效果的影响程度就显得尤为重要。
本文研究提出土壤——空气换热系统传热的二维动态模型,采用整场求解法,对地道土壤——空气换热系统的空气温度及传热特性进行了数值计算,并对地道长度、地道中点埋深及地道内风速等影响因素进行了对比分析。
2 数学模型
土壤——空气换热系统的模型入图1所示,室外空气经送风机送入地道内,在地道内无水分渗透的情况下,文献[1]的研究发现,%。因此在本研究中可以忽略湿迁移的影响,仅考虑显热的影响,这样就大大简化了数学模型,减小了计算量。
图1 空气在地下风道中换热过程
把地下土壤的传热计算与空气的数值模拟统一为一个整体,建立整个计算区域内的传热与流动控制统一方程:
(1)
式中:——通用变量,可代表u,v, w, T等求解变量; ——广义扩散系数;
——广义源项;——密度;——时间。
对于常物性不可压流动和传热的问题,在动力粘度为常数,表面力对微元体所做的功也可以忽略的情况下,可将上述方程简化为如下方程组:
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
式中:——流体微元体上的压力;——动力粘度;——运动粘度;
——控制体的比焓; ——导热系数;
——能量方程的源项,包括流体的内热源以及由于黏性作用机械能转换的耗散热两项。没有内热源时=0。
方程(2)-(6)即为求解问题的控制方程组,可同时求解流体和固体区域的传热问题。
3 分析与讨论
在室外空气流经地下风道的冷却降温过程中,影响降温效果的主要因素为地道长度、地道中点埋深以及地道内空气风