太阳能地下混凝土存取热试验研究与数值模拟

论文摘要

热能是现有能源结构中最重要的能源之一,但太阳能和工业余热、废热等都存在着间歇性和稳定性差的特点,从而导致了在一定程度上无法有效的加以利用。针对这一问题,本文建立了太阳能地下混凝土存取热试验平台,通过地下混凝土桩存储太阳能热,利用热泵来取热,并对存取热过程中,地下混凝土桩及其周围土壤温度场的变化规律进行了研究。本文首先在混凝土储热桩的基础上,结合聚焦式同步跟踪太阳能集热系统和热泵取热系统,建立了太阳能地下混凝土存取热试验平台,并研究了相关的数据采集系统和自动控制系统。然后,利用有限元软件ANSYS建立了地下混凝土桩内埋管换热器的瞬态传热模型,对混凝土桩内埋管换热器与混凝土的换热进行数值模拟,分析了不同工况下地下温度场的变化和埋管换热器的热作用半径；研究了间断取热模式、连续取热模式、不同混凝土热物性、不同热流密度、不同埋管间距对混凝土存取热效果的影响。最后,通过太阳能地下混凝土储热和取热试验,对比分析不同工况下地下温度场的变化规律,对模型进行验证,并计算了太阳能集热效率及不同取热工况下混凝土桩的取热效率等。本文的研究为太阳能的存储提供了一种新的思路,太阳能地下混凝土存取热技术不仅可以充分利用地下空间,而且还能有效降低环境污染和二氧化碳的排放,具有重要的现实意义。

论文目录

• 提要
• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的背景和意义
• 1.1.1 论文研究的背景
• 1.1.2 论文研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 太阳能地下存取热的研究现状
• 1.2.2 地下混凝土蓄能桩的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.3.1 太阳热能利用中亟待解决的问题
• 1.3.2 本文主要研究内容
• 第2章 太阳能地下混凝土存取热试验台的建立
• 2.1 试验台概况和功能设计要求
• 2.2 试验台系统组成
• 2.2.1 试验台的组成
• 2.2.2 同步跟踪太阳能集热系统
• 2.2.3 地下混凝土蓄能系统
• 2.2.4 热泵取热系统
• 2.3 数据采集系统
• 2.3.1 温度传感器
• 2.3.2 电磁流量计
• 2.3.3 数据采集和存储仪器
• 2.4 自动控制系统
• 2.4.1 太阳能集热器控制系统
• 2.4.2 热泵控制系统
• 2.5 本章小结
• 第3章 太阳能地下混凝土蓄热特性
• 3.1 太阳能辐射强度计算
• 3.1.1 计算相关太阳角度
• 3.1.2 太阳能总辐射强度
• 3.2 太阳能集热器的理论分析
• 3.2.1 太阳能集热器能量平衡方程
• 3.2.2 太阳能集热器的集热效率
• 3.3 混凝土热物性参数
• 3.3.1 混凝土的比热容
• 3.3.2 混凝土的导热系数
• 3.3.3 混凝土的热扩散率
• 3.4 埋管换热器换热过程分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 太阳能地下混凝土存取热过程的数值模拟
• 4.1 埋管换热器的传热模型
• 4.1.1 线热源解析模型
• 4.1.2 柱源解析模型
• 4.1.3 数值解传热模型
• 4.2 有限元法在传热分析中的应用
• 4.2.1 传热学的基本原理
• 4.2.2 传热分析中的有限元法
• 4.3 埋管换热器传热模型的建立
• 4.3.1 模型假设条件
• 4.3.2 物理模型
• 4.3.3 数学模型
• 4.3.4 传热初始条件和边界条件
• 4.3.5 选择单元模型及网格划分
• 4.4 模拟结果与分析
• 4.4.1 混凝土蓄热阶段地下温度场变化
• 4.4.2 取热模式对地下温度场的影响
• 4.4.3 热流密度对地下温度场的影响
• 4.4.4 混凝土导热系数对地下温度场的影响
• 4.4.5 混凝土比热容对地下温度场的影响
• 4.4.6 埋管间距对地下温度场的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 太阳能地下存取热试验
• 5.1 太阳能集热器集热效率测试
• 5.2 太阳能地下混凝土桩储热试验
• 5.2.1 试验过程概述
• 5.2.2 地下初始温度测量
• 5.2.3 地下温度场分析
• 5.2.4 储热量的计算
• 5.3 地下混凝土桩取热试验
• 5.3.1 连续取热工况地下温度场分析
• 5.3.2 间歇取热工况地下温度场分析
• 5.3.3 两种取热工况对比分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 论文的创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果
• 致谢