土壤热湿特性及对太阳能-土壤源热泵供能影响研究

集成建筑用能、太阳能热水系统、土壤源热泵系统、建筑周围场地、及土壤岩土层构成的蓄能、蓄水系统，提出采用雨水蓄渗系统（下凹式绿地、雨水花园等），调节土壤含水量、实现雨水资源化的同时强化土壤换热；利用太阳能季节土壤蓄热解决夏季太阳能集热系统空晒"过热"造成集热系统热性能"老化"的影响，并解决建筑采暖负荷占优地区土壤源热泵系统取/排热不平衡造成土壤"过冷"影响系统效率的实际问题。本课题的关键是建立雨水蓄渗（集蓄、入渗）以及太阳能蓄热作用下土壤的含水量、温度以及其它热物性（如导热系数、热扩散率）关系的理论模型；在此基础上，研究土壤热量、水分的热、湿迁移规律，从而获得科学的预测方法分析整个系统内多影响因素（如气象条件、太阳能及雨水资源等）、多子系统（建筑采暖空调用能、雨水蓄渗系统、太阳能集热系统、土壤及土壤源热泵系统）的耦合关系。提高建筑采暖空调用能的可再生能源利用率、雨水资源化率。

由于建筑供能需求的低品位特性，太阳能、浅层地热能的应用有非常大的开发潜力。围绕太阳能热水、土壤源热泵系统中涉及的一些基础科学问题，深入研究了太阳能集热器及地埋管换热器的换热过程并提出了系统性能改善的方法。进一步，研究了水热作用下土壤的热湿传递过程及雨水提高地埋管换热性能的效果。.关于太阳能热水系统，细致研究了我国使用最为普遍的U型管及全玻璃真空管的换热过程。对于U型管式太阳能真空管，研究提出单个U型管三维的热模型并通过实验验证。分析了气候条件、真空管几何尺寸、系统流量、真空管吸收系数等对热性能的影响及其气候适宜性。关于全玻璃真空管太阳能集热器，着重针对现有研究中对热容对其性能影响考虑不足的缺陷，理论研究了管内容水对系统的影响并通过实验进行了验证。全玻璃真空管内的容水热容对太阳能热水系统动态特性的影响不容忽略，相对于U型管式集热量减少25–35%，应在模拟采用的方程中包含热容项。进一步，具有相同效率曲线的两种集热器的热性能被比较，并研究了系统流量的优化方法。.关于土壤源热泵系统，本项目主要研究了地埋管换热器及其周围土壤的热质传递问题。建立雨水蓄渗以及太阳能蓄热作用下土壤的含水量、温度以及其它热物性关系的理论模型；研究土壤热量、水分的热、湿迁移规律，从而获得预测方法分析整个系统内多影响因素、多子系统（空调用能、雨水蓄渗、太阳能集热、土壤及土壤源热泵）耦合关系。本项目提出水平地埋管换热器与雨水收集相结合的系统形式，其特点为既有效收集雨水补充地下水、消除径流污染，同时有效增加土壤含水量，为地埋管换热器换热提供有利条件。提出雨水下渗及土壤热、湿耦合模型，分别利用土柱实验及沙箱实验验证以上两模型。沙质土壤的沙箱实验结果显示，水平地埋管热作用下，周围土壤存在发生湿迁移的可能性。提热工况下，由于埋管内流体与周围土壤之间的温度梯度相对较小，周围土壤的湿迁移不明显。排热工况下，由于温度梯度相对较大，热湿迁移相互耦合作用造成埋管周围土壤的湿迁移现象相对明显；热作用下导致埋管周围土壤可能形成一个环形“干区”。另外，对于湿砂质土壤，迁移主要发生在土壤含水量较小的情况下，例如0.1 m3/m3，模拟水平埋管换热器需采用热、湿耦合模型。在高含水量条件下，耦合模型不是必须的，但需要考虑湿变化造成的导热性能的变化。含水量增加0.2，埋管换热量增加97%。