【摘 要】
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寒冷地区使用地源热泵系统供暖时,埋管附近土壤会有冻结现象发生,由于土壤的冻融相变会带来潜热量的交换,因此,需要对存在冻结现象的土壤在地源热泵机组停机时的温度恢复情况
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寒冷地区使用地源热泵系统供暖时,埋管附近土壤会有冻结现象发生,由于土壤的冻融相变会带来潜热量的交换,因此,需要对存在冻结现象的土壤在地源热泵机组停机时的温度恢复情况进行评估,从而保障机组后续的稳定运行。本课题基于相变传热的理论分析,搭建沙箱实验平台,对地埋管周围冻结土壤的温度恢复特性进行研究。首先,利用沙箱实验平台模拟地埋管从土壤中取热至土壤出现冻结以及冻结土壤的温度恢复过程,实验研究管内流体温度和土壤含水率对冻土层温度恢复特性的影响。结果表明:随着管内流体温度和土壤含水率的升高,对冻土层温度恢复的促进作用逐渐增大,表现在冻土层融化速率加快,全部冻土融化所需时间缩短,同一恢复时间冻土层内相同位置处土壤的恢复温度与恢复率升高。其它条件相同时,管内流体温度由-10℃升高至-2℃时,全部冻土融化所需时间由1.53h减少到0.22h,减少了85.62%;土壤含水率由10%上升到25%时,全部冻土融化所需时间由0.94h减小到0.75h,减小了20.21%。然后,介绍了数值模拟的方法,并模拟计算不同工况下的土壤温度场,将模拟计算值与同一工况下的实验测量值进行对比,结果表明:模拟值与实验值的最大误差为14.14%,满足工程计算精度要求,说明该数值模拟计算的方法对于本实验模型具有适用性。随后,利用已验证的数值模拟计算方法分析土壤初始温度、导热系数、体积热容三个因素对冻土层温度恢复特性的影响。结果表明:土壤初始温度和导热系数的增加能够促进冻土层的融化与温升,表现在冻土层融化速率加快并且同一恢复时间冻土层内相同位置处土壤的恢复温度与恢复率升高。而土壤体积热容增大对冻土层的温度恢复起到抑制作用,表现在冻土层融化速率减慢并且同一恢复时间冻土层内相同位置处土壤的恢复温度与恢复率降低。最后,利用模拟计算方法,研究了强制恢复对冻土层温度恢复特性的影响。结果表明:相较于自然恢复,强制恢复对冻土层温度的恢复效果有显著提升。强制恢复能够加快冻土层的融化速率并提升恢复过程中土壤的温升速率。其它条件相同时,管内持续循环30℃的热水对土壤进行强制恢复能够使全部冻土融化所需时间比自然恢复时缩短90.99%。此外,强制恢复温度越高,对冻土层温度恢复的促进效果越显著。本文的研究成果可以为评估寒冷地区地源热泵系统运行时地埋管周围有土壤冻结情况下的土壤温度恢复性能提供参考。
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