根據(jù)目前的趨勢,2020年全球能源消耗量將是目前水平的兩倍多,其中建筑采暖和空調(diào)能耗所占比例較大,這種不斷增加的能源需求將加劇環(huán)境污染和能源短缺,所以使用清潔的可再生能源、提高能源利用率和節(jié)能減排成為當(dāng)務(wù)之急。土壤-空氣換熱器系統(tǒng)作為一項(xiàng)新型建筑節(jié)能技術(shù),利用地下土壤加熱或冷卻地埋管內(nèi)空氣,埋管出口的空氣可直接用于空間加熱或冷卻,或者與空氣處理機(jī)組結(jié)合應(yīng)用。由于不同地區(qū)氣候條件和土壤層溫度不同,土壤-空氣換熱器的換熱性能與節(jié)能潛力也不同。為了探究該系統(tǒng)在寒冷地區(qū)應(yīng)用的可行性和應(yīng)用效果,本文利用ANSYS FLUENT建立土壤-空氣換熱器三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型,探究北京地區(qū)土壤-空氣換熱器的換熱效果和節(jié)能效益。計(jì)算分析了北京地區(qū)淺層土壤溫度分布,研究了綜合環(huán)境條件作用對(duì)淺層土壤溫度分布的影響。模擬計(jì)算了土壤層與室外空氣的溫差,結(jié)果表明,在4m深處,11月至2月期間換熱溫差范圍為0.69℃~25.35℃,6月至8月期間夏季換熱溫差范圍為4.34℃~16.14℃,因此,在北京地區(qū)應(yīng)用土壤-空氣換熱器系統(tǒng)是可行的,可獲得較好的建筑節(jié)能效果。在分析土壤-空氣換熱器換熱原理的基礎(chǔ)上,建立了土壤-空氣換熱器三維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型,分析了影響系統(tǒng)換熱性能的因素和管道附近土壤溫度分布,得出管道較長、埋在較深處并具有較低空氣流速和較小直徑時(shí),能夠促進(jìn)系統(tǒng)性能的提高。系統(tǒng)間歇運(yùn)行時(shí),換熱器進(jìn)出口空氣溫差比連續(xù)運(yùn)行時(shí)要大。通過對(duì)土壤-空氣換熱器系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期的模擬表明,土壤跨季節(jié)熱恢復(fù)較好�；谏鲜鲅芯砍晒�,設(shè)計(jì)了具有工程實(shí)際應(yīng)用規(guī)模的土壤-空氣換熱器系統(tǒng),用于預(yù)熱/預(yù)冷新風(fēng)。計(jì)算、分析結(jié)果表明,換熱器效能達(dá)到90%以上,系統(tǒng)具有較好的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。以上工作對(duì)北京地區(qū)實(shí)際應(yīng)用土壤-空氣換熱器具有一定的參考價(jià)值。
【學(xué)位單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU83
【部分圖文】：

土壤-空氣換熱氣系統(tǒng)通常包括裝有過濾器的進(jìn)風(fēng)口、用于吹送空氣的鼓風(fēng)機(jī)和布置在土壤一定深處、由單管或多管組成的地埋管網(wǎng)。吹送到管道中的空氣經(jīng)過與土壤換熱再輸送到建筑內(nèi)的房間。土壤空氣換熱器系統(tǒng)的組成如表 2-1 和圖 2-2 描述。表 2-1 土壤空氣換熱器系統(tǒng)組成部分組成部分 材料 特點(diǎn) 作用空氣入口 進(jìn)風(fēng)塔 不銹鋼尺寸：2m高效過濾器引入和過濾室外空氣管道無縫管 鋼、鋁、銅參數(shù)：阻力系數(shù)，管壁粗糙度，直徑，長度，埋深。管道耐腐，結(jié)構(gòu)上穩(wěn)定，可以進(jìn)行檢查和清潔。輸送空氣并與土壤換熱塑料：PE；PVC；PP石頭管道混凝土磚風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)機(jī)直徑，高度，過濾類型引入室外空氣排風(fēng)機(jī) 排出廢氣冷凝管理 兩種：集成式和單獨(dú)式 引出冷凝水并排除

圖 2-3 管道布置在土壤層中的不同形式按照空氣循環(huán)形式分類，土壤-空氣換熱器系統(tǒng)主要分為兩種形式：開式循環(huán)閉式循環(huán)。這兩種形式區(qū)別在于引入空氣的來源有所不同，前者從室外引入，后者室內(nèi)引入。開式循環(huán)系統(tǒng)是指地埋管網(wǎng)的進(jìn)風(fēng)采用室外新風(fēng)，室內(nèi)空氣的溫濕度受外動(dòng)態(tài)氣象參數(shù)直接影響。閉式循環(huán)系統(tǒng)是指地埋管網(wǎng)的進(jìn)風(fēng)采用室內(nèi)回風(fēng)，系統(tǒng)行與建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷有緊密聯(lián)系。土壤-空氣換熱器系統(tǒng)的換熱性能取決于土壤與管道內(nèi)空氣之間的熱傳遞，圖4 闡明了影響土壤-空氣換熱器傳熱傳質(zhì)的主要條件。熱量通過空氣與管壁內(nèi)表面對(duì)流換熱和管壁導(dǎo)熱的方式傳入周圍土壤或從中出。土壤與管內(nèi)空氣的熱傳遞是非穩(wěn)態(tài)耦合換熱過程，土壤-空氣換熱器系統(tǒng)的換效果受埋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、土壤熱物性、地面氣象參數(shù)和運(yùn)行方案等因素影響。土壤部導(dǎo)熱過程為三維瞬態(tài)過程，還應(yīng)考慮土壤中冷凝和蒸發(fā)過程。為評(píng)價(jià)土壤-空氣熱器系統(tǒng)的性能，本文評(píng)價(jià)步驟如圖 2-5 所示。

圖 2-4 影響土壤-空氣換熱器傳熱傳質(zhì)的主要條件氣候和土壤參數(shù) 土壤溫度建立EAHE模型出口處空氣溫度EAHE冷卻和加熱的潛能HVAC系統(tǒng)特點(diǎn)EAHE節(jié)能的潛力圖 2-5 評(píng)價(jià)土壤-空氣換熱器性能的步驟首先根據(jù)外界氣候條件和土壤參數(shù)來計(jì)算土壤溫度，然后通過建立土壤-空氣熱器系統(tǒng)的數(shù)值模型分析室外空氣溫度、管道結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)行模式這些參數(shù)對(duì)壤-空氣換熱器系統(tǒng)特性的影響。并根據(jù)出口空氣參數(shù)通過式（2-13）和式（2-14）算夏季和冬季整體的制冷（Qc）和制熱（Qh）潛能。( )h p d sQ m c T T t(2-13

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