西安建筑科技大學 張婉卿 李安桂 常立存

       【摘  要】本文針對跨季節太陽能供暖系統中地埋管動態換熱特性進行數值研究，以粘土為蓄熱介質，建立了雙埋管蓄熱模型。在每日連續運行10小時，持續運行3個月后得到了地下蓄熱體溫度場分布和日蓄熱量變化情況，分析了埋管間距（Δl）和送風溫差（ΔT）對系統蓄熱性能的影響。研究結果表明，在蓄熱初始階段，日蓄熱量隨送風溫差升高而顯著增大，不同管間距對應的日蓄熱量相差不大。隨著蓄熱的持續進行，日蓄熱量逐漸降低，進而達到穩定狀態。此時，大埋管間距對應的蓄熱能力高于小埋管間距。本研究對于太陽能跨季節供暖系統的設計應用具有一定的借鑒意義。

       【關鍵字】跨季節太陽能供暖；地下蓄熱體；地埋管；蓄熱特性；

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

       太陽能作為清潔、可再生能源的代表，受到人們的廣泛關注。太陽能供暖技術是繼太陽能熱水之后，需要在建筑中推廣用的又一項太陽能熱能利用技術^[1]。由于受到多種因素的綜合影響，太陽能具有保證率較低、能量密度較小等特點，難以保證穩定、持續地開發利用?？缂竟澨柲芄┡到y可實現將夏季和過渡季的太陽輻射能儲存到蓄熱體，在冬季太陽能不能滿足建筑熱負荷時，利用蓄熱體中儲存的熱量為建筑物供暖，目前已成為極具發展潛力的太陽能利用首選系統之一^[2-4]。

       跨季節太陽能供暖系統根據儲熱介質類型分為熱水蓄熱、礫石-水蓄熱、地埋管蓄熱和含水層蓄熱四種方式^[5]。考慮到水資源的匱乏以及設備初投資等問題，地埋管蓄熱在太陽能跨季節供暖中應用較多。土壤在大約3米以下深度可視為恒溫介質^[6]，并且土壤的體積熱容量較大，可同時作為傳熱介質和儲熱介質。將太陽能熱能利用和地下土壤蓄熱相結合，不僅充分利用了過渡季的太陽輻射能，并且提高了全年的太陽能利用率，克服了太陽能晝夜和季節性變化等一系列問題，對保證太陽能利用的穩定性具有現實意義。

       考慮到地下蓄熱體內地埋管布置形式和送風參數對土壤蓄熱有著重要影響，本文通過建立三維地埋管換熱模型，針對地埋管動態換熱特性進行研究，分析了不同埋管間距、不同送風溫差對系統蓄熱性能的影響。

2 跨季節太陽能供暖系統設計

       2.1 系統工作原理

       本文研究的跨季節太陽能供暖系統主要由太陽能空氣集熱器、地下蓄熱體、地埋管、通風管道以及軸流風機組成。該系統以空氣作為載熱介質，以土壤和礫石作為蓄熱介質，系統工作原理如圖1所示。在貯熱期間，空氣由太陽能空氣集熱器加熱，并通過通風管道送到蓄熱體中與蓄熱介質進行熱量交換。當蓄熱過程達到穩定，冷卻后的空氣再流經集熱器進行循環加熱。在供熱運行期間，當太陽輻射量足以滿足室內負荷要求時，采用太陽能空氣集熱器加熱空氣供暖；當陰雨天氣無法滿足要求時，則開啟蓄熱裝置，利用蓄熱介質貯存的熱量為室內供暖加溫。系統內設置軸流風機作為動力設備用于熱空氣的輸送，并且通過集熱器出口和蓄熱體內部的溫度傳感器控制實現合理運行。當溫差ΔT≥40℃時，系統自動啟動，ΔT≤40℃時，系統運行停止。

       2.2 地下蓄熱體結構設計

       地下蓄熱體是跨季節太陽能供暖系統中的重要組成部分，其結構設計直接影響到蓄熱效果和系統經濟性。圖2為地下蓄熱體結構示意圖，由垂直空氣管道、水平地埋管以及地下的土壤和礫石混合物組成。由太陽能空氣集熱器加熱的空氣在軸流風機驅動下，經過通風管道送入蓄熱體，再由空氣管道將熱空氣送入其內部。蓄熱體內部的空氣管道開有若干均勻通風孔，熱空氣通過開孔進入礫石蓄熱堆，在礫石蓄熱堆內預混后到達與土壤的交界面，再通過土壤內部的若干地埋管進入另一側的礫石蓄熱堆，最后經開孔從另一側的空氣管道將冷卻后的空氣排出。換熱過程中蓄熱體內部的礫石堆和土壤被熱空氣加熱，從而將熱量儲存在蓄熱體中。當太陽能輻射量不能滿足供暖需要時，蓄熱系統逆向運行，從而將蓄熱體內部儲存的熱量再次利用空氣載熱釋放出來。

       蓄熱體外壁覆蓋保溫層以減小熱損失，同時考慮到管道的熱傳導性，以及經濟性和耐用性等因素，本系統中集熱器與蓄熱體之間的連接管道采用塑料管材，并進行保溫處理。而在土壤介質中的地埋管由于水平布置，故必須具有耐壓特性，并且考慮系統的經濟性，工程中多采用混凝土空心磚制造。

3 模型建立

       3.1 物理模型及基本假設

       本文針對地下蓄熱體中地埋管與土壤間的換熱過程進行研究，由于地下蓄熱體外部采用保溫措施處理，并且內部地埋管等間距布置，故管道間等距處同樣為絕熱邊界。因此，分析管群間換熱特性，可將研究對象簡化為雙埋管三維換熱模型，如圖3所示。地埋管一端為熱空氣入口，另一端為出口，沿水平方向平行布置。土壤計算域尺寸為6 m×4 m×2 m，地埋管截面為0.2 m×0.2 m。采用以下假設進行簡化：

       （1）土壤視為均勻、連續、各向同性的多孔介質，熱物性參數保持不變；

       （2）換熱過程只存在熱傳導，忽略土壤中的熱濕遷移；

       （3）沿管長方向熱空氣溫降較小，忽略沿管程方向的導熱；

       （4）忽略地埋管壁厚，假設地埋管外壁溫度與管內熱空氣溫度相同；

       （5）蓄熱介質周圍為絕熱邊界。

       3.2  控制方程及邊界條件

       地埋管內受熱空氣為不可壓縮流體，且符合Boussinesq假設，流體熱物性參數為常量。換熱過程采用Ansys fluent進行求解，控制方程可表示成如下通用形式：

       

       離散化方法采用有限容積法，對流項離散格式采用二階迎風格式，壓力與流速之間的耦合采用SIMPLE算法。選用Realizable k-e湍流模型進行數值計算，各變量殘差收斂標準為10-6。非穩態傳熱過程可由以下傳熱方程加以描述：

        

       地埋管入口定義為速度入口，送風速度3 m/s，送風溫度取太陽能空氣集熱器出口日平均溫度。地埋管出口選用自由出流邊界條件，管道壁面設置為溫度耦合壁面。土壤計算域外壁面為絕熱邊界，土壤介質定義為固體，采用粘土物性參數：密度為1500 kg/m³，比熱容為2.2 kJ/(kg·℃)，導熱系數為0.9 W/(m·℃)，熱擴散率為0.272×10-6 m²/s。土壤初始溫度取為15 ℃^[7]。

       3.3  模型驗證

       本文建立空氣-土壤熱交換器換熱模型，與Ahmed A^[8]的實驗數據和模擬結果進行對比分析，驗證了數值模擬方法的可靠性。驗證工況選取送風速度1 m/s下的換熱系統蓄熱運行模式。沿地埋管管長方向的溫度場分布如圖4所示，本模型模擬與實驗測試結果溫度變化趨勢吻合良好，數值上相差較小，其最大相對誤差與相關系數分別為0.94%、0.9919?？傮w上偏差都在可接受范圍之內，因此本文所采用的數值模擬方法能夠用于地埋管換熱特性的預測與研究。

4  計算結果與分析

       4.1  不同管間距、不同送風溫差下的地下蓄熱體溫度場分布

       首先，建立管間距Δl=2 m的雙埋管換熱模型，在系統蓄熱運行模式下，每日運行10小時，連續運行3個月后的地下蓄熱體溫度場分布如下圖所示。圖5對比了三種送風溫差對地埋管換熱性能的影響。土壤初始溫度均為15 ℃，送風溫度根據太陽能空氣集熱器出口測試日平均溫度，分別設定為55、65、75 ℃^[9]，即送風溫差為：（1）ΔT=40 ℃；（2）ΔT=50 ℃；（3）ΔT=60 ℃。由圖可知，在不同送風溫差下，蓄熱體溫度場均呈現出以地埋管為輻射中心的對稱式分布，蓄熱體邊界處溫度最低。當ΔT=40 ℃時，在系統連續蓄熱工況下，蓄熱體內月平均溫度升高約4-5 ℃左右；當ΔT=50、60 ℃時，月平均溫度分別升高6-7 ℃、8-10 ℃左右。由此可見，隨著送風溫差的增大，蓄熱體內平均溫度上升速度加快，具有更優的換熱性能。

    

       同理，建立管間距Δl=3 m的雙埋管換熱模型，在相同蓄熱模式下連續運行3個月，在三種不同送風溫差作用下的蓄熱體溫度場分布如圖6所示。由圖可知，該工況下的蓄熱體溫度場分布形式與Δl=2 m所對應的溫度場類似，均呈現出軸對稱的特點。值得注意的是，隨著管間距的增大，蓄熱體體積隨之增大。在ΔT=40 ℃與T=50 ℃工況下蓄熱一個月后，地埋管內熱空氣換熱還未影響到蓄熱體邊界，距離地埋管最遠處的蓄熱體邊界溫度仍處于初始溫度15 ℃。系統連續蓄熱三個月后，在三種送風溫差作用下，蓄熱體內月平均溫度均升高約3-4 ℃左右。因此，在地埋管以管間距Δl=3 m布置時，送風溫差對蓄熱體溫度場變化影響較小。

       4.2  不同管間距、不同送風溫差下的地下蓄熱體日蓄熱量對比

       土壤熱容量（C）是指單位質量的土壤每升高(或降低)1 ℃所需吸收(或放出)的熱量。在蓄熱過程中，地埋管將熱空氣攜帶的熱量儲存到土壤蓄熱介質中，由于蓄熱系統外部有保溫措施，故系統熱損失可忽略不計。將每日儲存到蓄熱體中的這部分熱量稱為日蓄熱量（Q），單位MJ/d，計算公式如下：

       

       圖7分析了不同管間距、不同送風溫差對地下蓄熱體日蓄熱量的影響。由圖可知，地下蓄熱體日蓄熱量與蓄熱時間密切相關，在不同埋管間距下均表現出相似的變化趨勢。在蓄熱初始階段，由于換熱溫差較大，日蓄熱量也較大。增大送風溫差，日蓄熱量變化趨勢顯著，蓄熱量明顯增大。送風溫差每增加10 ℃，蓄熱體內日蓄熱量增加約5-6 MJ。隨著蓄熱的進行，由于蓄熱體內溫度上升，換熱溫差逐漸縮小，導致日蓄熱量也逐漸降低，蓄熱體各部分溫度趨于平衡。隨著蓄熱時間繼續深入，日蓄熱量將達到穩定狀態。

       以送風溫差ΔT=40 ℃為例，研究了在相同送風溫差下，埋管間距布置對地下蓄熱體日蓄熱量的影響。經測試，地埋管熱作用半徑一般在2 m左右^[7]。本文對比了地埋管以2 m和3 m間距布置時的日蓄熱量大小，如圖8所示。系統連續蓄熱一個月內，不同管間距對應的日蓄熱量基本接近。隨著蓄熱持續進行，日蓄熱量差值逐漸增大。由于管間距的增大，蓄熱體的體積也相應變大，其內部溫度場相較于小管間距更加不平衡，故大管間距對應的蓄熱能力高于小管間距。在蓄熱中后期，管間距為3 m對應的日蓄熱量高于管間距2 m下的數值。

5  結論

       本文針對跨季節太陽能供暖系統中地埋管動態換熱特性進行研究，分析了不同埋管間距、不同送風溫差作用下，系統連續運行三個月后的地下蓄熱體溫度場分布和日蓄熱量變化情況，得到以下結論：

       （1）在不同送風溫差下，蓄熱體溫度場均呈現出以地埋管為輻射中心的對稱式分布，蓄熱體邊界處溫度最低。隨著送風溫差的增大，蓄熱體內平均溫度上升速度加快，具有更優的換熱特性。隨著管間距的增大，不同送風溫差對蓄熱體溫度場的影響逐漸變弱。

       （2）在蓄熱初始階段，地下蓄熱體日蓄熱量較大，日蓄熱量隨送風溫差升高而顯著增大。隨著蓄熱的持續進行，土壤換熱溫差逐漸縮小，日蓄熱量逐漸降低，進而達到穩定狀態。

       （3）連續蓄熱初期，不同管間距對應的日蓄熱量相差不大。隨著蓄熱持續進行，大埋管間距對應的蓄熱能力高于小埋管間距。

       致謝：本研究受陜西省科技統籌創新工程計劃項目（2016KTCL01-13）支持。

參考文獻

       [1] 何梓年，朱敦智. 太陽能供熱采暖應用技術手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2009.
       [2] Kurata K, Takakura T. Underground storage of solar energy for greenhouses heating. I. Analysis of seasonal storage system by scale and numerical models[J]. Transactions of the Asae, 1991, 34(2):0563-0569.0
       [3] Yang Dong, Zhang Jinpeng. Analysis and experiments on the periodically fluctuating air temperature in a building with earth-air tube ventilation. Building & Environment, 2015, 85(85):29-39.
       [4] Kaushal M. Geothermal cooling/heating using ground heat exchanger for various experimental and analytical studies: Comprehensive review. Energy & Buildings, 2017, 139:634-652.
       [5] D. Bauer, R. Marx, J. Nuβbicker-Lux, German central solar heating plants with seasonal heat storage. Solar Energy. 2010, (84):612-623.
       [6] ASHRAE, Handbook of Application,2015. American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning engineers Inc., in, Atlanta, GA.
       [7] 王躍. U型地埋管換熱器換熱特性及土壤溫度場模擬與實驗研究[D]. 廣州：廣東工業大學, 2012.
       [8] Serageldin Ahmed A, Abdelrahman Ali K, Ookawara S. Earth-Air Heat Exchanger thermal performance in Egyptian conditions: Experimental results, mathematical model, and Computational Fluid Dynamics simulation. Energy Conversion & Management, 2016, 122:25-38.
       [9] 趙洋. 太陽能空氣集熱器性能試驗研究與仿真分析[D]. 內蒙古：內蒙古農業大學, 2017.

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
                 版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。