地源热泵系统地埋管区域热流变化规律研究

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本文研究了地埋换热器的土壤内部及其地表层微气候传热传质情况,着重分析地表层的热流变化规律。建立了地源热泵系统地埋管区域及包括绿地的地表微气候热流研究模型。在实际实验和模拟的情况下,对地埋换热器与周围环境间交换热流、由植物蒸腾作用引起的大气热流交换进行了对比。  首先,建立了地源热泵地埋管区域,包括地上及地下的各子系统的能量方程,并以此为基础,进行不同季节系统运行特性的理论分析。  其次,针对系统中的各热流的计算方法进行了详细的分析,并确定重点研究地埋换热器与周围环境的热流和植物蒸腾作用的热流。  然后,对以上热流进行实地测试和模拟研究。实验研究表明,地源热泵系统的夏季运行对土壤的温升作用约为1 ℃,冬季土壤的温降约为0.6 ℃。夏季地源热泵系统运行向土壤排热量为1582 GJ,而冬季从土壤吸热量为1022 GJ,全年向土壤净排热量为560 GJ,热不平衡率为35.4%。有地埋换热器的区域,夏季运行时,土壤表层与大气换热热流范围为-89.1 W/m2~92.7 W/m2,过渡季节,热流值范围为-41.9 W/m2~37.9 W/m2,地源热泵系统冬季运行时间段,与大气换热热流范围为-99.5 W/m2~92.5 W/m2。  用手持式光合测试仪在典型天气下测量了典型植物的蒸腾速率,并计算有太阳辐射时的蒸腾热流平均值,石楠为130.9 W/m2,紫叶小檗为90.3W/m2,小黄杨为91.8W/m2,香樟为186.0 W/m2,垂柳为223.8 W/m2。  应用仿真软件对地源热泵系统地埋换热器与周围环境热交换情况进行了数值模拟。采用 P-M方程对植物蒸腾作用的模拟,模拟和实验结果规律具有较好的吻合度。  在夏季运行时,微气候环境中的绿地植物的蒸腾热流可以抵消部分地埋换热器释放到周围环境中的热流。因而建议在安装有地埋换热器的应用区域种植绿色植物,从而减弱微气候中因地源热泵系统长期使用导致的温升,缓解热岛效应。
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