嚴(yán)寒地區(qū)土壤凍結(jié)對土壤源熱泵地埋管傳熱規(guī)律的影響研究.pdf

1、土壤源熱泵系統(tǒng)最適宜應(yīng)用在冬夏冷熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)。但隨著其系統(tǒng)的大力發(fā)展和應(yīng)用，在我國北方嚴(yán)寒地區(qū)，由于冬夏季冷熱負(fù)荷嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致了系統(tǒng)出現(xiàn)熱失衡現(xiàn)象嚴(yán)重。有時地埋管系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)溫度會在0℃以下，其周圍土壤會出現(xiàn)土壤凍結(jié)現(xiàn)象。土壤凍結(jié)的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了地埋管換熱器的換熱特性，進(jìn)而導(dǎo)致熱泵機組蒸發(fā)溫度降低、 SCOP制冷能效比減小、系統(tǒng)效率下降，系統(tǒng)出力不足等問題。目前，針對土壤凍結(jié)對地埋管換熱器傳熱規(guī)律影響的研究主要以數(shù)值模擬為主，以

2、實驗的方式研究的甚少。
　　為了明確土壤凍結(jié)對地埋管換熱器傳熱規(guī)律的影響，本論文詳細(xì)闡述了其國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了土壤凍結(jié)條件下地埋管換熱器的換熱過程，并在確保精確性、穩(wěn)定性的前提下，建立了一套嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)實驗平臺。通過該實驗平臺，本論文研究了地埋管換熱器周圍土壤凍結(jié)區(qū)域的分布特征和不同進(jìn)口流體溫度、土壤初始溫度、土壤體積含水率對地埋管換熱器周圍土壤凍結(jié)特性的影響，并進(jìn)一步分析了土壤凍結(jié)對地埋管換熱器換熱量的影響。實

3、驗結(jié)果表明：
　?。?）周圍土壤凍結(jié)區(qū)域不大，當(dāng)進(jìn)口溫度tin?-15℃時，僅為80-110 mm，沿循環(huán)工質(zhì)流動的方向逐漸變小，并且具有不對稱性，大量的相變潛熱都是在模糊區(qū)放出的；相同進(jìn)口溫度下，越遠(yuǎn)距離段，凍結(jié)鋒面的移動速度越慢，當(dāng)進(jìn)口溫度-15int?℃時，在 R=40-60 mm段，凍結(jié)鋒面的平均移動速度為5 mm h，在R=60-80 mm段，凍結(jié)鋒面的平均移動速度為1.11 mm h。
　　（2）土壤凍結(jié)能適當(dāng)改

4、善地埋管周圍的溫度場，利于埋管換熱器換熱，如進(jìn)口溫度tin?-14℃時，地埋管換熱量增幅達(dá)9.6%。土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)適當(dāng)考慮土壤凍結(jié)問題。凍結(jié)效應(yīng)影響了地埋管的換熱量，但是其影響程度受進(jìn)口溫度的影響。
　?。?）土壤初始溫度越高，土壤凍結(jié)區(qū)域和程度越小，土壤熱物性參數(shù)變化的區(qū)域縮小，但地埋管換熱器的換熱量增加，使得土壤凍結(jié)效應(yīng)對換熱量的影響逐漸減弱，對于土壤初始溫度相對較高的情況，本實驗10SoilT?℃時，可不考慮土壤凍

5、結(jié)效應(yīng)的影響。
　?。?）當(dāng)土壤體積含水率增大時，強化了地埋管換熱器的換熱，有利于提高 U型埋管的出口流體溫度和取熱值。土壤體積含水率較高時，本實驗中?v?15%時，凍結(jié)效應(yīng)使換熱量增幅可達(dá)6.45%，需要適當(dāng)考慮凍結(jié)效應(yīng)對地埋管換熱器換熱量的影響。土壤體積含水率較低時，本實驗中?v?15%時，凍結(jié)土壤與未凍結(jié)土壤熱物性參數(shù)之間的差異不大，凍結(jié)效應(yīng)釋放出的相變潛熱量較小，對埋管換熱量的影響很小，此時可以忽略凍結(jié)效應(yīng)的影響。