空气-土壤蓄热式热泵系统的实测与模拟研究

为解决寒冷地区单供暖土壤源热泵系统运行引起的土壤热失衡问题,在邯郸某小区土壤源热泵系统的基础上,增设空气换热机组,构成空气-土壤蓄热式热泵系统。利用实测数据对蓄热季典型工况下地埋管进出口水温、蓄热量进行分析,结果显示室外气温较高时,地埋管进口水温和蓄热量较高,有利于地埋管蓄热。利用Trnsys软件建立系统仿真模型,分析不同因素对土壤温升的影响,模拟结果表明:适当增大空气换热器换热面积、空气流量均可提高土壤温升值,但温升趋势逐渐趋于平缓。当空气换热器传热系数为40.0 W/(m^(2)·K),土壤目标温升为3.0℃时,依据土壤温升的拟合曲线得到2个方案:方案1,空气流量150×10^(3)m^(3)/h,空气换热器面积9 494.4 m^(2);方案2,空气换热器面积13 494.4 m^(2),空气流量105×10^(3)m^(3)/h。方案1和方案2每延米地埋管分别需要对应匹配0.086 m^(2)和0.123 m^(2)的空气换热器面积。空气-土壤蓄热式热泵系统连续运行10 a后,方案1和方案2的土壤温度分别下降0.23℃和0.21℃,2个方案单位供暖面积费用分别为13.85元和12.67元,方案2优于方案1。

特高压直流共用接地极的暂态温升分析

特高压直流系统共用接地极可减少极址占地面积且节省投资,但单极运行时会引起极址大地电位升高,出现跨步电压升高、土壤发热等问题,因此开展直流接地极的相关研究对提高其安全运行具有重要意义。为此,基于COMSOL有限元分析软件,建立了特高压直流输电接地极的电流场和温度场全耦合暂态分析模型,与传统的电热模型相比,该模型能有效反映土壤参数随温度变化的过程。通过某±500 kV共用接地极各种运行工况下地面跨步电压和土壤最高温升的分析计算以及与测量值的比较,验证了该模型的有效性。基于该模型分析了土壤的电阻率、热导率和比热容对接地极运行的影响规律。研究结果表明热导率的变化对土壤温升影响更显著,对于额定入地电流为3 030 A、圆环半径为360 m、埋深为3 m的接地极,当按最大入地电流运行检验该接地极参数时,为满足跨步电压要求,接地极表层土壤电阻率需低于35Ω·m。所提出的模型和研究成果可用于指导高压直流共用接地极的优化设计。

不同控制策略下的土壤源热泵系统夏季工况实验研究

在上海地区完成闭式冷却塔-土壤源热泵系统不同控制策略下的夏季实验。实验结果表明:在连续制冷情况下,加入冷却塔能有效改善系统COP,降低土壤温升。不同控制策略对于上海地区制冷系统COP和土壤温升的改善差异不同。在上海典型夏季工况下长期制冷,夜间冷凝温度控制对降低土壤温升和节能效果明显,但随着冷凝温度的增加,效果越差。较优控制策略选择为控制策略3-夜间设定温度29℃控制,该控制策略下机组COP最大值增幅16%,最小值减幅24%;系统COP最大值增幅16%,最小值减幅8%。地下埋管埋深30 m、45 m和60 m处,土壤温升降低最大,分别为64%、64%和63%。

闭式冷却塔-土壤源热泵系统夏季工况试验研究

为探究闭式冷却塔-土壤源热泵系统在不同控制策略下土壤温升与COP的变化情况,对其进行试验分析。试验结果表明:通过白天冷却塔-GCHP联合运行夜间关闭冷却塔(模式1)、白天冷却塔-GCHP联合运行夜间关闭热泵机组(模式2)和控制源侧流量的配比(模式3)与GCHP单独运行试验对比发现加入冷却塔能显著阻止COP下降,且连续制冷优于间歇制冷。模式3改善效果最佳,机组COP最大增幅为30%,最小减幅为17%;系统COP最大增幅为25%,最小减幅为16%。在土壤温升方面,3种模式均能减缓土壤周围温度的增加。在埋深30m处,模式2效果最佳,土壤温升降低了24%;在埋深45m和60m处,模式3效果最佳,土壤温升降低了31%,对于上海夏季炎热需长期供冷地区,模式3为最优控制策略。

基于薄壳理论的直流接地极电热动态耦合有限元模型

超/特高压直流输电工程中共用接地极技术的应用日趋普遍,单极大地运行方式下直流接地极承载的入地电流大幅增加。考虑直流接地极散流时土壤中温度场和电场的相互影响,准确计算其接地参数及电流场分布是直流接地极优化设计及后续相关课题研究的基础。提出了基于薄壳理论的直流接地极电热动态耦合有限元数值计算方法。在土壤中恒定电场与温度场耦合的基础上,分别通过将土壤电参数和热参数:电阻率、比热容和热导率设置为上一时刻该单元土壤温度的函数,实现由时变的温度分布控制土壤参数,准确地模拟散流过程中土壤电场、热场相互影响、相互耦合的动态过程;同时在数值计算过程引入"薄壳"理论,将接地导体用具有一定虚拟厚度的二维面代替,采用三角形单元离散,解决了直流接地极截面尺寸与求解区域差异巨大而带来的计算量大、求解困难的问题。最后,将数值计算结果与文献试验测量结果对比,验证了文中算法的有效性。并基于文中算法分析了土壤参数温度特性对接地极性能的影响,认为考虑土壤参数温度时变特性时,在一定范围内,较高土壤电阻率地区直流接地系统的接地电阻随运行时间有较明显的增大现象。