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跨季节太阳能供暖系统地下蓄热体蓄热特性研究

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2019-07-16

西安建筑科技大学 张婉卿 李安桂 常立存

       【摘  要】本文针对跨季节太阳能供暖系统中地埋管动态换热特性进行数值研究,以粘土为蓄热介质,建立了双埋管蓄热模型。在每日连续运行10小时,持续运行3个月后得到了地下蓄热体温度场分布和日蓄热量变化情况,分析了埋管间距(Δl)和送风温差(ΔT)对系统蓄热性能的影响。研究结果表明,在蓄热初始阶段,日蓄热量随送风温差升高而显著增大,不同管间距对应的日蓄热量相差不大。随着蓄热的持续进行,日蓄热量逐渐降低,进而达到稳定状态。此时,大埋管间距对应的蓄热能力高于小埋管间距。本研究对于太阳能跨季节供暖系统的设计应用具有一定的借鉴意义。

       【关键字】跨季节太阳能供暖;地下蓄热体;地埋管;蓄热特性;

Abstract: A numerical study was conducted for the characteristic of thermal storage of underground regenerative body in solar heating system with seasonal storage. The clay is adopted as the thermal storage medium. A double-buried pipe thermal storage model is established under 10-hour continuous operation each day and continues running for 3 months. The temperature distribution of the underground regenerator body and the change of daily thermal storage capacity have been obtained. The influence of the distance between buried pipe (Δl) and the air temperature difference (ΔT) on the thermal storage performance of the system is analyzed. The results show that during the initial stage of thermal storage, the daily thermal storage capacity increases significantly with the ΔT, and the influence of Δl is not much evident. As the process continues, the amount of thermal storage capacity gradually decreases, and ultimately reaches to the steady state. The thermal storage capacity corresponding to the large Δl is higher than the small one. This paper can provide a reference for the design and application of solar heating systems with seasonal storage.
Keywords: solar heating system with seasonal storage; underground regenerative body; earth-air heat exchanger; thermal storage characteristic

1 引言

       太阳能作为清洁、可再生能源的代表,受到人们的广泛关注。太阳能供暖技术是继太阳能热水之后,需要在建筑中推广用的又一项太阳能热能利用技术[1]。由于受到多种因素的综合影响,太阳能具有保证率较低、能量密度较小等特点,难以保证稳定、持续地开发利用。跨季节太阳能供暖系统可实现将夏季和过渡季的太阳辐射能储存到蓄热体,在冬季太阳能不能满足建筑热负荷时,利用蓄热体中储存的热量为建筑物供暖,目前已成为极具发展潜力的太阳能利用首选系统之一[2-4]

       跨季节太阳能供暖系统根据储热介质类型分为热水蓄热、砾石-水蓄热、地埋管蓄热和含水层蓄热四种方式[5]。考虑到水资源的匮乏以及设备初投资等问题,地埋管蓄热在太阳能跨季节供暖中应用较多。土壤在大约3米以下深度可视为恒温介质[6],并且土壤的体积热容量较大,可同时作为传热介质和储热介质。将太阳能热能利用和地下土壤蓄热相结合,不仅充分利用了过渡季的太阳辐射能,并且提高了全年的太阳能利用率,克服了太阳能昼夜和季节性变化等一系列问题,对保证太阳能利用的稳定性具有现实意义。

       考虑到地下蓄热体内地埋管布置形式和送风参数对土壤蓄热有着重要影响,本文通过建立三维地埋管换热模型,针对地埋管动态换热特性进行研究,分析了不同埋管间距、不同送风温差对系统蓄热性能的影响。

2 跨季节太阳能供暖系统设计

       2.1 系统工作原理

       本文研究的跨季节太阳能供暖系统主要由太阳能空气集热器、地下蓄热体、地埋管、通风管道以及轴流风机组成。该系统以空气作为载热介质,以土壤和砾石作为蓄热介质,系统工作原理如图1所示。在贮热期间,空气由太阳能空气集热器加热,并通过通风管道送到蓄热体中与蓄热介质进行热量交换。当蓄热过程达到稳定,冷却后的空气再流经集热器进行循环加热。在供热运行期间,当太阳辐射量足以满足室内负荷要求时,采用太阳能空气集热器加热空气供暖;当阴雨天气无法满足要求时,则开启蓄热装置,利用蓄热介质贮存的热量为室内供暖加温。系统内设置轴流风机作为动力设备用于热空气的输送,并且通过集热器出口和蓄热体内部的温度传感器控制实现合理运行。当温差ΔT≥40℃时,系统自动启动,ΔT≤40℃时,系统运行停止。

图1 跨季节太阳能供暖系统原理图

       2.2 地下蓄热体结构设计

       地下蓄热体是跨季节太阳能供暖系统中的重要组成部分,其结构设计直接影响到蓄热效果和系统经济性。图2为地下蓄热体结构示意图,由垂直空气管道、水平地埋管以及地下的土壤和砾石混合物组成。由太阳能空气集热器加热的空气在轴流风机驱动下,经过通风管道送入蓄热体,再由空气管道将热空气送入其内部。蓄热体内部的空气管道开有若干均匀通风孔,热空气通过开孔进入砾石蓄热堆,在砾石蓄热堆内预混后到达与土壤的交界面,再通过土壤内部的若干地埋管进入另一侧的砾石蓄热堆,最后经开孔从另一侧的空气管道将冷却后的空气排出。换热过程中蓄热体内部的砾石堆和土壤被热空气加热,从而将热量储存在蓄热体中。当太阳能辐射量不能满足供暖需要时,蓄热系统逆向运行,从而将蓄热体内部储存的热量再次利用空气载热释放出来。

       蓄热体外壁覆盖保温层以减小热损失,同时考虑到管道的热传导性,以及经济性和耐用性等因素,本系统中集热器与蓄热体之间的连接管道采用塑料管材,并进行保温处理。而在土壤介质中的地埋管由于水平布置,故必须具有耐压特性,并且考虑系统的经济性,工程中多采用混凝土空心砖制造。

图2 地下蓄热体结构示意图

3 模型建立

       3.1 物理模型及基本假设

       本文针对地下蓄热体中地埋管与土壤间的换热过程进行研究,由于地下蓄热体外部采用保温措施处理,并且内部地埋管等间距布置,故管道间等距处同样为绝热边界。因此,分析管群间换热特性,可将研究对象简化为双埋管三维换热模型,如图3所示。地埋管一端为热空气入口,另一端为出口,沿水平方向平行布置。土壤计算域尺寸为6 m×4 m×2 m,地埋管截面为0.2 m×0.2 m。采用以下假设进行简化:

       (1)土壤视为均匀、连续、各向同性的多孔介质,热物性参数保持不变;

       (2)换热过程只存在热传导,忽略土壤中的热湿迁移;

       (3)沿管长方向热空气温降较小,忽略沿管程方向的导热;

       (4)忽略地埋管壁厚,假设地埋管外壁温度与管内热空气温度相同;

       (5)蓄热介质周围为绝热边界。

图3 双埋管换热模型三维示意图

       3.2  控制方程及边界条件

       地埋管内受热空气为不可压缩流体,且符合Boussinesq假设,流体热物性参数为常量。换热过程采用Ansys fluent进行求解,控制方程可表示成如下通用形式:

       

       离散化方法采用有限容积法,对流项离散格式采用二阶迎风格式,压力与流速之间的耦合采用SIMPLE算法。选用Realizable k-e湍流模型进行数值计算,各变量残差收敛标准为10-6。非稳态传热过程可由以下传热方程加以描述:

        

       地埋管入口定义为速度入口,送风速度3 m/s,送风温度取太阳能空气集热器出口日平均温度。地埋管出口选用自由出流边界条件,管道壁面设置为温度耦合壁面。土壤计算域外壁面为绝热边界,土壤介质定义为固体,采用粘土物性参数:密度为1500 kg/m3,比热容为2.2 kJ/(kg·℃),导热系数为0.9 W/(m·℃),热扩散率为0.272×10-6 m2/s。土壤初始温度取为15 ℃[7]

       3.3  模型验证

       本文建立空气-土壤热交换器换热模型,与Ahmed A[8]的实验数据和模拟结果进行对比分析,验证了数值模拟方法的可靠性。验证工况选取送风速度1 m/s下的换热系统蓄热运行模式。沿地埋管管长方向的温度场分布如图4所示,本模型模拟与实验测试结果温度变化趋势吻合良好,数值上相差较小,其最大相对误差与相关系数分别为0.94%、0.9919。总体上偏差都在可接受范围之内,因此本文所采用的数值模拟方法能够用于地埋管换热特性的预测与研究。

图4沿地埋管管长方向的温度场分布

4  计算结果与分析

       4.1  不同管间距、不同送风温差下的地下蓄热体温度场分布

       首先,建立管间距Δl=2 m的双埋管换热模型,在系统蓄热运行模式下,每日运行10小时,连续运行3个月后的地下蓄热体温度场分布如下图所示。图5对比了三种送风温差对地埋管换热性能的影响。土壤初始温度均为15 ℃,送风温度根据太阳能空气集热器出口测试日平均温度,分别设定为55、65、75 ℃[9],即送风温差为:(1)ΔT=40 ℃;(2)ΔT=50 ℃;(3)ΔT=60 ℃。由图可知,在不同送风温差下,蓄热体温度场均呈现出以地埋管为辐射中心的对称式分布,蓄热体边界处温度最低。当ΔT=40 ℃时,在系统连续蓄热工况下,蓄热体内月平均温度升高约4-5 ℃左右;当ΔT=50、60 ℃时,月平均温度分别升高6-7 ℃、8-10 ℃左右。由此可见,随着送风温差的增大,蓄热体内平均温度上升速度加快,具有更优的换热性能。

     图5 管间距为2 m时不同送风温差下的蓄热体温度场分布:(1)ΔT=40 ℃;(2)ΔT=50 ℃;(3)ΔT=60 ℃

       同理,建立管间距Δl=3 m的双埋管换热模型,在相同蓄热模式下连续运行3个月,在三种不同送风温差作用下的蓄热体温度场分布如图6所示。由图可知,该工况下的蓄热体温度场分布形式与Δl=2 m所对应的温度场类似,均呈现出轴对称的特点。值得注意的是,随着管间距的增大,蓄热体体积随之增大。在ΔT=40 ℃与T=50 ℃工况下蓄热一个月后,地埋管内热空气换热还未影响到蓄热体边界,距离地埋管最远处的蓄热体边界温度仍处于初始温度15 ℃。系统连续蓄热三个月后,在三种送风温差作用下,蓄热体内月平均温度均升高约3-4 ℃左右。因此,在地埋管以管间距Δl=3 m布置时,送风温差对蓄热体温度场变化影响较小。

图6 管间距为3 m时不同送风温差下的蓄热体温度场分布:(1)ΔT=40 ℃;(2)ΔT=50 ℃;(3)ΔT=60 ℃

       4.2  不同管间距、不同送风温差下的地下蓄热体日蓄热量对比

       土壤热容量(C)是指单位质量的土壤每升高(或降低)1 ℃所需吸收(或放出)的热量。在蓄热过程中,地埋管将热空气携带的热量储存到土壤蓄热介质中,由于蓄热系统外部有保温措施,故系统热损失可忽略不计。将每日储存到蓄热体中的这部分热量称为日蓄热量(Q),单位MJ/d,计算公式如下:

       

       图7分析了不同管间距、不同送风温差对地下蓄热体日蓄热量的影响。由图可知,地下蓄热体日蓄热量与蓄热时间密切相关,在不同埋管间距下均表现出相似的变化趋势。在蓄热初始阶段,由于换热温差较大,日蓄热量也较大。增大送风温差,日蓄热量变化趋势显著,蓄热量明显增大。送风温差每增加10 ℃,蓄热体内日蓄热量增加约5-6 MJ。随着蓄热的进行,由于蓄热体内温度上升,换热温差逐渐缩小,导致日蓄热量也逐渐降低,蓄热体各部分温度趋于平衡。随着蓄热时间继续深入,日蓄热量将达到稳定状态。

图7 地下蓄热体日蓄热量变化:(1)管间距为2 m;(2)管间距为3 m

       以送风温差ΔT=40 ℃为例,研究了在相同送风温差下,埋管间距布置对地下蓄热体日蓄热量的影响。经测试,地埋管热作用半径一般在2 m左右[7]。本文对比了地埋管以2 m和3 m间距布置时的日蓄热量大小,如图8所示。系统连续蓄热一个月内,不同管间距对应的日蓄热量基本接近。随着蓄热持续进行,日蓄热量差值逐渐增大。由于管间距的增大,蓄热体的体积也相应变大,其内部温度场相较于小管间距更加不平衡,故大管间距对应的蓄热能力高于小管间距。在蓄热中后期,管间距为3 m对应的日蓄热量高于管间距2 m下的数值。

图8 送风温差为40 ℃时不同管间距下日蓄热量变化

5  结论

       本文针对跨季节太阳能供暖系统中地埋管动态换热特性进行研究,分析了不同埋管间距、不同送风温差作用下,系统连续运行三个月后的地下蓄热体温度场分布和日蓄热量变化情况,得到以下结论:

       (1)在不同送风温差下,蓄热体温度场均呈现出以地埋管为辐射中心的对称式分布,蓄热体边界处温度最低。随着送风温差的增大,蓄热体内平均温度上升速度加快,具有更优的换热特性。随着管间距的增大,不同送风温差对蓄热体温度场的影响逐渐变弱。

       (2)在蓄热初始阶段,地下蓄热体日蓄热量较大,日蓄热量随送风温差升高而显著增大。随着蓄热的持续进行,土壤换热温差逐渐缩小,日蓄热量逐渐降低,进而达到稳定状态。

       (3)连续蓄热初期,不同管间距对应的日蓄热量相差不大。随着蓄热持续进行,大埋管间距对应的蓄热能力高于小埋管间距。

       致谢:本研究受陕西省科技统筹创新工程计划项目(2016KTCL01-13)支持。

参考文献

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       [9] 赵洋. 太阳能空气集热器性能试验研究与仿真分析[D]. 内蒙古:内蒙古农业大学, 2017.

       备注:本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期(第21届暖通空调制冷学术年会文集)。
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