太阳能跨季节岩土垂直埋管蓄热系统设计应用研究——以重庆某项目为例

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解决能源危机的两大方法是节约能源和开发新能源。太阳能就是一种取之不尽用之不竭的可再生能源,而太阳能和建筑之间的结合是当下发展趋势之一。论文以重庆某高山景区民宿建筑为例,基于当地实测气象数据,采用理论分析与数值模拟仿真相结合的方式,对岩土垂直埋管进行太阳能跨季节岩土蓄热系统在重庆地区的设计应用开展分析研究。主要研究工作及结论如下:首先,论文利用DeST能耗分析软件,计算得到了民宿建筑的全年动态逐时负荷,发现:该民宿建筑受气候条件的影响,全年主要以冬季热负荷为主、夏季基本无冷负荷需求。同时,通过对项目所在地气象参数的测试分析,得到了该地区的气候特征参数:冬季1~2月,空气干球温度0~5℃、湿度基本在90%上下,属于典型的低温高湿气候环境(不利于空气源热泵冬季运行);4~9月太阳能资源相对比较丰富,太阳辐射总量占全年约72%,其中7、8月太阳辐射最高可达500MJ/m2。基于民宿项目负荷需求特性及当地气候特征,论文提出利用岩土垂直埋管进行太阳能跨季节蓄热应用的供暖系统设计思路。接下来,论文针对岩土垂直埋管进行太阳能跨季节蓄热的性能及影响开展了分析研究工作。主要工作及研究结论:1)建立了岩土垂直埋管跨季节蓄热数理模型,对模型进行了网格无关和步长独立性验证;搭建了地下岩土垂直单U埋管测试平台,对所建立数理模型及模拟方法进行了准确性验证,结果显示模拟结果与实测结果差异仅约11.4%,考虑误差影响,实测和模拟结果吻合性较好,从而说明模型及模拟方法是正确的、可靠的;2)根据建立的岩土垂直埋管跨季节蓄热数理模型,研究分析了垂直埋管水平布置形式、垂直埋管间距、岩土参数、垂直埋管内水流速、集热强度多个设计参数对岩土垂直埋管跨季节蓄热性能的影响。接着对岩土垂直埋管跨季节蓄热的部分参数进行了优化分析,发现:优化后模型的蓄热量增加约6.5%,单位埋深蓄热量增加4W/m左右。进而,为了研究跨季节蓄热系统连续运行工况下岩土的蓄放热特性以及对冬季热泵供暖系统性能的影响,论文对比分析了无蓄热和蓄热两种工况下岩土垂直埋管系统的蓄放热性能及热泵供暖性能。根据研究结果,发现:第一年供暖季1#钻孔出水平均温度与无蓄热工况下相比,提升了约0.6℃,供暖季的平均能效比提升约0.5。蓄热量与取热量之比约为5:3,跨季节蓄热系统的太阳能保证率约为59.27%。系统运行2年后,各项参数变化不大,系统运行稳定。最后,论文针对民宿建筑采用太阳能跨季节岩土垂直埋管蓄热系统的经济性进行了分析评价。通过对比分析,发现:由于跨季节蓄热系统的初投资费用相对较高,导致该系统运行费用年值比不蓄热的系统高约0.4万元;但是,由于跨季节蓄热系统的运行能耗低、运行费用更少,随着该领域技术的推广应用、系统设备初投资费用的降低,其运行经济性的优势就会逐渐体现。
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