土壤—空气换热器换热特性模拟与应用研究

发布时间：2020-09-24 14:20

　　 根据目前的趋势,2020年全球能源消耗量将是目前水平的两倍多,其中建筑采暖和空调能耗所占比例较大,这种不断增加的能源需求将加剧环境污染和能源短缺,所以使用清洁的可再生能源、提高能源利用率和节能减排成为当务之急。土壤-空气换热器系统作为一项新型建筑节能技术,利用地下土壤加热或冷却地埋管内空气,埋管出口的空气可直接用于空间加热或冷却,或者与空气处理机组结合应用。由于不同地区气候条件和土壤层温度不同,土壤-空气换热器的换热性能与节能潜力也不同。为了探究该系统在寒冷地区应用的可行性和应用效果,本文利用ANSYS FLUENT建立土壤-空气换热器三维非稳态数值模型,探究北京地区土壤-空气换热器的换热效果和节能效益。计算分析了北京地区浅层土壤温度分布,研究了综合环境条件作用对浅层土壤温度分布的影响。模拟计算了土壤层与室外空气的温差,结果表明,在4m深处,11月至2月期间换热温差范围为0.69℃~25.35℃,6月至8月期间夏季换热温差范围为4.34℃~16.14℃,因此,在北京地区应用土壤-空气换热器系统是可行的,可获得较好的建筑节能效果。在分析土壤-空气换热器换热原理的基础上,建立了土壤-空气换热器三维非稳态数值模型,分析了影响系统换热性能的因素和管道附近土壤温度分布,得出管道较长、埋在较深处并具有较低空气流速和较小直径时,能够促进系统性能的提高。系统间歇运行时,换热器进出口空气温差比连续运行时要大。通过对土壤-空气换热器系统运行一个周期的模拟表明,土壤跨季节热恢复较好。基于上述研究成果,设计了具有工程实际应用规模的土壤-空气换热器系统,用于预热/预冷新风。计算、分析结果表明,换热器效能达到90%以上,系统具有较好的节能性和经济性。以上工作对北京地区实际应用土壤-空气换热器具有一定的参考价值。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU83
【部分图文】：

土壤-空气换热气系统通常包括装有过滤器的进风口、用于吹送空气的鼓风机和布置在土壤一定深处、由单管或多管组成的地埋管网。吹送到管道中的空气经过与土壤换热再输送到建筑内的房间。土壤空气换热器系统的组成如表 2-1 和图 2-2 描述。表 2-1 土壤空气换热器系统组成部分组成部分 材料 特点 作用空气入口 进风塔 不锈钢尺寸：2m高效过滤器引入和过滤室外空气管道无缝管 钢、铝、铜参数：阻力系数，管壁粗糙度，直径，长度，埋深。管道耐腐，结构上稳定，可以进行检查和清洁。输送空气并与土壤换热塑料：PE；PVC；PP石头管道混凝土砖风机进风机直径，高度，过滤类型引入室外空气排风机 排出废气冷凝管理 两种：集成式和单独式 引出冷凝水并排除

图 2-3 管道布置在土壤层中的不同形式按照空气循环形式分类，土壤-空气换热器系统主要分为两种形式：开式循环闭式循环。这两种形式区别在于引入空气的来源有所不同，前者从室外引入，后者室内引入。开式循环系统是指地埋管网的进风采用室外新风，室内空气的温湿度受外动态气象参数直接影响。闭式循环系统是指地埋管网的进风采用室内回风，系统行与建筑动态负荷有紧密联系。土壤-空气换热器系统的换热性能取决于土壤与管道内空气之间的热传递，图4 阐明了影响土壤-空气换热器传热传质的主要条件。热量通过空气与管壁内表面对流换热和管壁导热的方式传入周围土壤或从中出。土壤与管内空气的热传递是非稳态耦合换热过程，土壤-空气换热器系统的换效果受埋管的结构参数、土壤热物性、地面气象参数和运行方案等因素影响。土壤部导热过程为三维瞬态过程，还应考虑土壤中冷凝和蒸发过程。为评价土壤-空气热器系统的性能，本文评价步骤如图 2-5 所示。

图 2-4 影响土壤-空气换热器传热传质的主要条件气候和土壤参数 土壤温度建立EAHE模型出口处空气温度EAHE冷却和加热的潜能HVAC系统特点EAHE节能的潜力图 2-5 评价土壤-空气换热器性能的步骤首先根据外界气候条件和土壤参数来计算土壤温度，然后通过建立土壤-空气热器系统的数值模型分析室外空气温度、管道结构参数以及运行模式这些参数对壤-空气换热器系统特性的影响。并根据出口空气参数通过式（2-13）和式（2-14）算夏季和冬季整体的制冷（Qc）和制热（Qh）潜能。( )h p d sQ m c T T t(2-13

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本文编号：2825836