土壤空气换热器换热特性的模拟研究

文章针对日光温室环境下土壤空气换热器的换热特性进行了研究。首先通过监测土壤空气换热器沿程空气温度的全天变化,分析了试验工况下土壤空气换热器的动态换热过程及系统性能变化规律。研究结果表明,在试验工况下,土壤空气换热器系统的性能系数(COP)可高达24.1。在此基础上,通过建立土壤空气换热器的非稳态换热模型,模拟研究不同的入口风速对土壤空气换热器换热性能的影响。研究结果表明,当换热管入口空气温度相同时,随着入口风速的增加,土壤空气换热器进出口空气温度差逐渐减小,出口处空气温度与土壤温度差值逐渐增大,这意味着土壤空气换热器有效换热长度逐渐变长。在此过程中,土壤空气换热器系统的换热量和COP随着入口空气风速的增加呈现出先增后减的规律。通过模拟结果可知,当入口风速达到5.5 m/s时,土壤空气换热器系统的换热量与COP均达到最大值。

基于土壤分层的土壤空气换热器温度场模拟研究

以温室地表下不同深度土壤层含水率为依据,建立含水率不同的分层土壤模型与换热管模型,数值模拟冬季晴天土壤空气换热器运行下的土壤温度场。结果表明:在换热管周围,土壤各测点温度随换热管入口空气温度周期性变化且变化规律一致;距换热管等径向距离处,深度方向和水平方向上土壤测点温度因分层土壤的热物性不同而不同;沿深度方向上,换热管周围(Z≤450mm)土壤温度受换热管换热影响剧烈,近地表(Z>450 mm)土壤温度变化受地表热作用影响剧烈;土壤温度场的模拟值与实测值吻合性较好。

双膜日光温室土壤-空气换热器土壤温度试验研究

为了解双膜日光温室土壤-空气换热器对周围土壤及根系的影响,对兰州市一个新建双膜日光温室和单膜普通温室进行测试对比。结果表明:阴天时,土壤温度受换热器影响较大;晴天时,土壤温度受太阳辐射影响较大。双膜日光温室的浅层土壤温度高于单膜普通温室,单膜普通温室土壤表面温度的波动幅度明显强于双膜日光温室。双膜日光温室能有效提高土壤温度,并且双膜温室的室内热环境稳定性强于单膜温室。

土壤—空气新风换热器运行特性

为满足人员对公共建筑室内热舒适要求,同时考虑公共建筑经济性,提出对餐厅采用土壤—空气新风换热器系统,充分利用天然蓄热体土壤,将室外空气与土壤换热,夏季冷却新风,冬季预热新风。利用COMSOL数值模拟软件对土壤—空气新风换热器系统进行模拟计算,并与工程实例结果进行对比,证实误差不超过7%。模拟计算结果显示,管长的增加有利于水平埋地管的换热,埋管管长为30m时,换热量达到430.63W;管径越大,换热效果越差,管径取DN110,换热量为451.09W;管间距的增大,换热量逐渐升高,管间距为2m时,换热量为304.62W。通过与冷冻处理新风系统进行对比,分析土壤—空气新风换热器的优势及经济性。

日光温室热湿环境作用下土壤-空气换热器动态换热特性的试验研究

针对土壤-空气换热器空气降温运行时的换热特性进行了试验研究,分析了入口空气温度和换热管长度对土壤-空气换热器出口空气温度和单位管长换热量的影响;并结合空气在换热管内的降温数据,采用非线性回归方法建立了换热管出口空气温度与入口空气温湿度、换热管长度、管内空气平均流速的函数关系式;并验证了其准确性。试验结果表明,换热管越长,管内流速越低时,出口空气温度越小,波动幅度也越小;土壤-空气换热器进出口空气温差与入口空气流速成反比,而单位管长换热量与入口空气流速成正比。当管内空气平均流速从4.5 m/s降至0.5 m/s时,进出口空气温差从3.97℃升至6.18℃,而单位管长换热量从11.59 W/m减至1.79 W/m。从增强土壤-空气换热器整体换热性能的角度考虑,管内最佳空气平均流速为5.9 m/s。研究结果对于土壤-空气换热器的结构设计优化和换热性能提高具有重要的理论和实际意义。

高温高湿地区太阳能烟囱-土壤/空气换热器夏季自然通风系统实验研究

搭建了全尺寸实验平台,通过测试通风量、空气温度、空气相对湿度、地埋管制冷量、集热面温度、太阳辐照度等参数24 h内的变化,研究了高温高湿环境下土壤/空气换热器(EAHE)与太阳能烟囱(SC)耦合系统的通风和冷却能力。结果表明:尽管EAHE进口空气的温度和相对湿度分别为27~41℃和42.18%~95.58%,但其出口空气温度和相对湿度都较稳定,分别为27~28℃和90%~95%;空气通过EAHE埋管的最大温降为13℃,含湿量最大减小值为3.1 g/kg;EAHE的最大总制冷量为994 W,最大显热制冷量为750 W,最大潜热制冷量为317 W,最大潜热制冷量约占总制冷量的32%;系统最大通风量为166 m^(3)/h,对应的太阳辐照度最大值为1194 W/m^(2);该耦合系统在高温高湿地区应用有良好的降温性能。

日光温室中土壤-空气换热器作用下的热湿环境

土壤-空气换热器对日光温室内空气温湿度调节具有良好的效果。为了研究日光温室中土壤-空气换热器作用下日光温室内热湿分布特性,建立了土壤-空气换热器作用下日光温室热湿环境数值模拟模型。该模型基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,利用FLUENT15.0进行了稳态和非稳态的数值求解;采用组分运输模型和DO模型分别对湿度和太阳辐射进行了三维数值模拟。结果表明:模型能够对土壤-空气换热器作用下日光温室内热湿环境特性进行较准确的研究。在距日光温室地面0.5~2.5 m处,土壤-空气换热器对日光温室内空气温湿度处理具有良好的效果。

土壤-空气换热器地埋管周围土壤动态的热湿迁移规律

以调节日光温室内环境的土壤-空气换热系统为背景,开展白天降温、夜晚升温两种不同工况下的试验,从而探究地埋管周围轴向和径向上的温度、湿度迁移规律.研究结果表明:昼夜温差大的情况下,土壤的热饱和程度会随之产生周期性变化,土壤中蓄放热状态的差异性也会引起温度、湿度分布的动态变化;土壤-空气换热器作用下的土壤热湿耦合的作用明显,温度梯度对湿分迁移有一定的推动作用,产生的湿度梯度同时也会影响温度分布;土壤-空气换热器对土壤的影响主要表现为径向上的变化,即在竖直方向上产生明显的湿度分层及温度变化,且距离换热管越近,变化幅度越大,变化趋势也越显著.

土壤-空气换热器换热特征及经济性分析

土壤-空气换热器(EAHE)是浅层地热能直接利用的一种重要技术,其技术简单、安装方便,具有很高的应用潜力。为了深入了解EAHE换热特征,通过模型试验对其换热特征进行分析,并对EAHE的初始投资进行了讨论。结果表明,EAHE在加热过程中管内空气温度沿管道方向逐渐降低,最终与地下温度一致;土体导热系数越大,管内空气温度下降速度越快;地下温度变化值随管长的增加而降低。当导热系数为1.73 W/(m·K)时,EAHE平均单位管长换热量为11.4 W/m,与相关学者现场测试结果接近。此外,EAHE的初始投资随开挖深度及土体级别的增大而增大。当深度为2 m时,EAHE的初始投资为80-296元/m。研究成果对指导EAHE的实际安装运行具有重要意义。

基于GA-BP神经网络的土壤-空气换热器换热量预测分析

文章对位于太原市一个日光温室内的土壤-空气换热器进行夏季工况试验,获得了不同运行工况下换热管内空气的温度和湿度的分布数据。试验结果表明:土壤-空气换热器具有一定的除湿效果;当换热管长度为17.2 m,换热管内空气流速为2 m/s时,土壤-空气换热器潜热换热量占全热换热量的31.37%,且潜热换热量在全热换热量中的占比随着换热管长度的增加而逐渐降低。文章将得到的试验数据分为训练样本和测试样本,同时,分别基于BP神经网络和GA-BP神经网络建立了土壤-空气换热器换热量的预测模型,并对模拟结果进行对比。模拟结果表明:GA算法对BP神经网络具有较好的优化作用;与基于BP神经网络建立的土壤-空气换热器换热量预测模型相比,基于GA-BP神经网络建立的土壤-空气换热器换热量预测模型的预测精度较高,收敛所需的迭代次数也较少。

土壤—空气换热系统流动与供冷性能的计算模拟

以土壤热传导方程和K_1—ζ湍流模型为基础,采用温度场叠加法对土壤—空气埋管换热系统进行了三维动态数值模拟,计算了埋管出口温度随时间的动态变化。研究了埋管管长、管径、风速等对换热器出口温度的影响。模拟结果表明：①换热器出口温度随外界气温和土壤表面获得的辐射能的周期性变化而呈周期性变化；②随着管长增加和管径减小,出口温度降低,而且受气温和太阳辐射的影响减小；③随着人口风速减小,出口温度降低且变化幅度减小,供冷性能提高。并进行了实验验证,实测数据与模拟结果之差不超过0.8℃。

土壤空气换热建筑新风系统运行性能测试研究

建立了一套基于土壤一空气换热的建筑新风系统，测试分析了整个系统在夏季、冬季以及过渡季的地下换热特性和室内空气品质状况．结果表明，该系统运行稳定可靠，室内最高CO：浓度控制在6×10^-4～7×10^-4，能够有效保证室内空气品质的要求．在冬夏季典型运行工况下，单位传热面积的地下换热量分别为90．9W／m^2和44．2W／m^2，日平均换热效率分别为0．84和0．72．上述试验结果对于类似气候地区的系统设计与优化具有实际指导意义．

土壤-空气换热系统热性能的模拟与分析

针对土壤-空气换热器在日光温室中加热条件下土壤中热量传递的问题,研究利用SIMPLER算法,对土壤-空气换热系统的热性能进行数值模拟,并研究空气流速度对该系统热性能的影响,以获得最佳的进口空气速度。首先以土壤导热方程为基础,再结合k-ε湍流模型,将固体区与流体区作为1个整体全场求解,最后对空气与土壤的交界处用壁面函数法进行特别处理。在此基础上,通过建立土壤-空气换热器瞬态二维模型,模拟研究不同入口空气速度对土壤-空气换热器热性能的影响。模拟结果表明,当入口温度相同时,随着空气流动速度的加快,进出口空气温差逐渐减小。在此过程当中,系统换热量和COP的增加均越来越慢。通过模拟结果可知,空气的最佳入口流速为6.5 m/s。研究结果对农业温室的运行和节能有参考价值。

利用土壤能的地下埋管新风系统的研究现状及展望

回顾了地下埋管新风系统的研究进展 ,介绍了地下埋管部分的换热计算 ,分析了影响地下埋管新风系统性能的因素 ,给出了工程应用实例 。

基于土壤能的地下埋管新风系统冷却能力研究

提出一套基于土壤能的地下埋管新风系统,结合赣州地区土壤温度分布特点,建立了土壤-空气换热器冷却终温计算模型,并计算换热器传热系数K值,从理论上分析夏季地下埋管新风系统冷却能力随埋管长度、埋管半径及埋管内空气流速变化的规律,并通过工程应用举例说明该冷却新风系统技术经济可行,在赣州地区具有一定的推广意义.理论分析结果表明:该新风系统的冷却能力随着埋管长度增大而增大,随着埋管半径、埋管内空气流速的增大而减小,且地下埋管半径不宜超过0.4 m,否则不利于空气充分吸收土壤能,单根埋管长度应小于180 m,管长达到180 m时通过增加管长来增加系统冷却效率是不合理的.

土壤-空气换热器新风系统在严寒地区全年运行性能评价

为解决严寒地区建筑冬季室内新风不足且传统通风方式能耗过大的问题,提出了一种基于土壤-空气换热器的新风系统,对其全年运行性能进行了实验与分析。实验台搭建于哈尔滨松北区一办公建筑中,通过对空气温湿度,土壤温度,系统耗电量等参数的监测验证了系统可行性。结果表明,土壤-空气换热器新风系统可有效在严寒地区全年运行,独立为室内提供处理好的新鲜空气。供暖季运行期间,无辅助加热措施的情况下,系统最低送风温度为13. 1℃,制热工况下土壤-空气换热器平均升温达12. 4℃,最大升温幅度为21. 9℃,最大换热量达8 271 W,且室外温度越低,土壤-空气换热器制热性能越好,以最大风量连续运行一周时换热器仍可保证平均换热效率在67. 7%;过渡季及夏季运行期间土壤-空气换热器起到降温效果,在保证新风供给的同时为室内提供了免费冷量。同时,通过对本系统与传统空气源新风处理机组经济分析对比,得到动态回收期仅为2. 38 a,说明系统具有良好的经济型,适合工程应用推广。

套管式土壤—空气换热器实验研究

本文介绍了土壤—空气换热系统的工作原理,并进行了相关实验研究。研究结果表明该实验系统具有良好的持续性和稳定性,新风经处理后温度降低、含湿量减小。可以认为在湿热地区,用地能对新风进行降温除湿是夏季改善室内空气品质和节约能耗的有效措施。

日光温室土壤-空气换热器周围土壤中热湿迁移规律研究

为研究日光温室土壤-空气换热系统土壤中的热湿耦合迁移规律,建立了水平换热管周围非饱和土壤中热湿耦合传递的数学模型,模拟非饱和土壤蓄热过程中温湿度的动态分布。结果表明,温湿度场的分布密切相关。在土壤中温度梯度作用下,土壤中的湿分沿温度梯度反方向迁移,且依次形成湿峰。各向同性土壤中,距管中心距离相同的各点,同时出现湿峰。管内空气温度越高,湿度峰值越明显。利用土壤-空气换热器对高温空气进行降温,含湿土壤中的传热传质,有利于换热系统获得较低的空气出口温度。

不同运行模式下土壤-空气换热器热性能研究

基于多孔介质传热传质理论,建立了二维非饱和土壤耦合热湿迁移的数学模型。基于有限体积法,利用FORTRAN语言开发了二维椭圆型传热传湿计算程序。利用自编程序对不同运行模式下的土壤-空气换热器系统进行了全面的数值研究。连续模式下系统连续运行24 h;间歇模式1下系统运行60 min,然后停止运行30 min;间歇模式2下系统运行60 min,然后停止运行60 min.结果表明,在连续模式下较高含湿量的土壤比较低含湿量的土壤的系统热性能提升20.13%,含湿量较低的土壤在间歇模式下运行系统热性能较连续模式提升12.7%。

用于济南地区的进风静压室冷却性能研究

土壤空气换热器(EAHE)的性能提升问题是目前研究的焦点。目前一种具有进风静压室(IPC)的土壤空气换热器(IPCEAHE)系统被提出,其主要是利用建于地下的IPC来对室外空气进行预处理,被处理后的空气再进入EAHE进行换热。研究结果表明,IPC在重庆夏季应用中极大地提升了EAHE的出风品位,同时自身也具有良好的冷却性能。但尚未有研究对IPC应用于寒冷地区的夏季冷却性能进行评价。因此,以地处寒冷地区的济南为例,对IPC进行了2种风量工况下连续运行6 d的数值模拟研究。研究结果表明,IPC在380 m^(3)/h和570 m^(3)/h风量工况下对室外空气的最大温降分别达到了7.28℃和5.32℃,最大制冷量分别为861.32 W和944.65 W;此外,IPC应用于北方地区比应用于南方地区具有更佳的冷却性能。