论“土壤高温储热过程中热湿迁移的研究”问题分析
更新日期:2017-05-24     浏览次数:312
核心提示:介绍了国内外有关土壤高温储热过程热湿迁移的研究进展,分析了地源热泵地埋管换热器在传热过程中,土壤水分迁移对换热的影响。

 上世纪Giakoumarks S G和Hopmems J W等[7-8]研究了不同温度下土壤导水率的变化规律,结果表明温度对土壤的导水率影响很大。刘思雨[9]等研究了不同温度不同含水率条件下,黄泥巴、黑垆土、塿土的导水率问题。Philip和Devrice等[10]定性的分析了温度对土壤水分迁移的影响。Rubin等[11]在研究热湿迁移现象时,提出了温、湿度场稳定时间的长短问题。Luikov等[12]在研究温、湿度场变化时引进压力场,并对三者之间的关系做了定性的分析。Bear与Whitaker等[13-14]利用体积法,建立了未饱和土壤热湿迁移过程的理论模型。陈振乾等[15]利用能量守恒和质量守恒定律,导出土壤热湿迁移过程中的控制方程并给出定解条件。俞劲炎[16]在研究土壤肥沃性的基础上,提出了土壤中水分、盐分和热量之间的耦合作用。施明恒等[17]在俞劲炎的研究基础上,建立了含盐分一维土壤热湿迁移的微分方程,并给出相应的边界条件。Richards[18]在研究土壤液态水迁移时考虑了Darcy定律,并做了定量的分析。Philip和Deviries等[19]考虑温度梯度的影响,对Darcy定律做了进一步的修正。Nakano[20]研究了土壤中水蒸气的密度,对土壤温度传递的影响。陈振乾等[21]提出了土壤热湿迁移过程中“力”和“流”的概念,并建立了土壤热湿迁移的唯象方程。陈志雄等[22]用实验方法推导出未饱和土壤导水率的计算公式。高俊凤等[23]研究了不同温度梯度下,土壤水分的运动规律。

目前,地源热泵系统被广泛的应用于我国北方地区,但随着热泵系统的长期运行,系统运行效率严重下降,这因为长年从土壤中提取的热量大于对土壤补给的热量,最终导致土壤热失衡。太阳能高温储热通过跨季节对土壤进行储热补给,是解决地源热泵系统热失衡问题的有效办法。高温储热的难点在于,土壤热湿迁移是如何影响土壤储热的。对此,国内外学者做了大量研究。李明等[24]研究了湿土壤对传热特性的影响。李新国等[25]建立了有内热源的土壤热湿迁移模型。Zhao J等[26]用微玻璃球模拟了地埋管换热器附近土壤热湿迁移的特性。Reuss等[27]通过对土壤热湿迁移特性的研究,发现高温储热会导致地埋管换热器附近土壤的干涸和裂缝,进而影响地埋管与土壤之间的换热效率。王华军等[28]建立了土壤高温储热过程热湿迁移的数学模型及给出了相应的边界条件,并对其进行了数值求解。齐承英等[29]用实验的方法验证了该模型的正确性,发现储热初期到稳定这段时间,湿度场相比温度场需要更长的时间,同时在地埋管的热作用半径和湿作用半径内,会出现温度峰值和湿度峰值。王华军等[30]建立了一维储热实验装置,通过实验提出了温、湿度峰值比,并得到温、湿度峰值主要发生在土壤湿度为4%-18%范围内。Thomas H等[31]用低温储热纯导热模型模拟了高温储热过程,发现模拟结果与实验结果相差甚远。Cass等[32]提出了增强因子对储热的影响。Dempsey B J等[33]研究了高温条件下,土壤含水量对地埋管换热的影响。冀海燕[34]等对高含水率下,土壤的储热和取热进行了实验研究。刘雨松等[35]对一维高温储热过程热、湿变化进行了实验,验证了王华军等人的研究结论。李丽梅等[36-37]在研究地表浅层高温储热实验过程中,建立了单U形地埋管与土壤之间热湿迁移的数学物理模型。黄奕沄等[38]研究了夏季工况下土壤水分对地埋管传热性能的影响,并对普通的线热源在土壤中单位长度换热量公式进行了修正,得出夏季地下水高于-20米时,可以忽略水分迁移对地埋管换热的影响。Aankraski B J等[39]在土壤高温储热的数值模拟中,首次提出土壤水汽促进因子对传热的影响,同时期Webbs S W等[40]也发现了同样的问题。卢春方等[41]采用了数值模拟法,对地埋管附近热湿迁移进行了定性的分析。路俊超等[42]在一维储热模型的基础上,研究了双热源作用下的热湿迁移问题,并给出相应的控制方程及边界条件。吴玮、陈红兵等[43]基于Matlab软件,对土壤储热过程水分、热量之间的相互作用进行了模拟,模拟结果与王华军等人的实验结果很接近。