垂直土壤—空气换热器与新风机组耦合系统研究

作     者：张哲宁 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙金栋;赵录辉

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：土壤-空气换热器 垂直风管 数值研究 换热性能 新风机组 

摘      要：目前建筑能耗占比已超过全球各个领域能源消耗总量的三分之一,为降低传统暖通空调系统所带来的建筑能耗,各种被动式技术与可再生能源的利用正在逐渐增加,地热能作为最常见的可再生能源之一,已经受到了各国广泛地关注。土壤-空气换热器（EAHX）系统作为地热能应用的技术热点之一,在降低被动式低能耗建筑冷热负荷方面具有明显的潜力,但传统水平式EAHX系统因存在占地面积较大、浅层土壤温度不稳定、冷凝水难以集中排出、无法满足建筑室内送风温度要求等问题而造成应用推广困难。为解决这些问题,本文提出了一种垂直土壤-空气换热器（VEAHX）系统及其与新风机组耦合系统,研究内容基于数值分析和实验研究。本文首先提出了一种VEAHX系统,提出的VEAHX系统相较于现有的EAHX系统具有占地面积更小、深层土壤换热更充分、冷凝水更易收集排出等优势。为优化VEAHX系统的相关参数并提升其实际应用潜力,基于ANSYS Fluent平台建立了VEAHX系统的数值模型,并通过现有文献中的实验数据对该数值模型进行了验证。验证结果表明,数值计算结果与实验数据在夏季和冬季所对应的最大绝对值相对误差分别为8.1%和7.2%。基于建立的VEAHX系统数值模型,研究了不同因素对系统热性能的影响。研究结果表明,风管材料对系统热性能的影响可基本忽略,但考虑到系统整体的使用年限,更推荐使用不锈钢或球墨铸铁材料。风管在出口段处敷设保温层后可以适当减小风管间距,保温层的厚度和长度分别宜为30mm和3m。风管直径越大,其对系统热性能的削弱就越明显,但此时系统运行时的COP较大,然而较小的风管直径无法满足建筑室内新风量需求,风管直径宜为150mm-200mm。风管深度越大,空气流经风管时的沿程阻力损失就越大,同时,空气流经风管时的速度大小决定了系统送风风机的能耗,此时应综合考虑系统的热性能、能耗大小以及建造成本。地下水渗流可以有效消除系统因长期运行而导致风管周围土壤热量/冷量堆积的问题,更有利于系统的换热。为满足被动式低能耗建筑室内送风温度和人员热舒适性要求,本文提出了一种VEAHX耦合新风机组系统,在VEAHX系统数值模型的基础上耦合建立了新风机组数值模型,并通过搭建两室法实验平台进行相关实验验证,验证结果表明,数值计算结果与实验数据的最大绝对值相对误差基本均在10%以内。基于建立的数值模型研究了耦合系统的实际热性能,研究结果表明,耦合系统可基本承担被动式低能耗建筑室内的冷热负荷,并可在一定程度上视为建筑物的独立冷热源。系统在冬季最大可提供约30℃的温升,同时可将其出口空气温度保持在18℃-20℃,夏季保持在22℃-24℃。系统对室外空气温度波动起到了很好的平抑作用,这种平抑作用随着时间的延长更为明显,该作用可以增强室内人员的热舒适性。本文提出的VEAHX系统及其与新风机组耦合系统可大大降低传统暖通空调系统所带来的建筑能耗,研究内容对提出系统的进一步优化具有一定的指导意义,并为其进一步推广应用提供了可能性。