3.1 太阳能集热器表面温度
图5所示为太阳能集热器不同位置的温度变化情况.
图5 太阳能集热器表面温度变化图
Fig.5 Variations of surface temperature of solar collector
由图可知,白天集热器表面温度随太阳辐射强度变化呈周期性变化,在太阳辐射较弱时,集热器表面温度大约在20 ℃左右轻微波动,当太阳辐射强度变大,集热器表面温度快速升高,到14:00左右达到最大值约100 ℃,然后逐渐下降,最终稳定在20 ℃左右.这说明在测试期间,太阳能集热器运行稳定,可以为整个耦合系统的稳定运行提供基础条件.
3.2 地埋管出口风量
图6所示为地埋管出口风量变化.风量的大小直接关系到耦合系统向室内输送冷/热量的多少,是描述耦合系统运行性能的关键参数.由前述理论分析可知,地埋管出口风量呈周期性变化,白天取决于太阳辐射强度,夜晚取决于室内外温差.由图可知,风量的峰值比太阳辐射强度的峰值出现有一定的延迟,这是由于太阳能集热器的升温需要一定时间.最大通风量一般出现在每天下午13:30左右,且其峰值在230~280 m3/h之间,换气次数为8.5~10.4次/h.夜晚由于室内外温差的存在,风量仍能保持着100~175 m3/h左右.在测试期间,9月9日天气为多云,太阳辐射强度较低,故系统风量在白天相较其他几日有所下降,峰值为170~220 m3/h,但仍能在全天保持自然通风过程,换气次数为6.3~8.1次/h.说明耦合系统在太阳辐射不足的情况下仍能维持较好的通风效果.
图6 地埋管出口风量与太阳辐射强度变化图
Fig.6 Variations of air rate at EAHE outlet and solar radiation intensity
3.3 地埋管进出口温度
图7所示为测试期间地埋管进出口空气温度变化情况.由图可知,地埋管进出口温度均呈现周期性变化,与地埋管进口相比,其出口温度波动幅度明显减小.在测试期间,地埋管进口温度在18~36.4 ℃波动,波动幅度为18.4 ℃,而出口温度在25.8~27 ℃之间波动,波动幅度为1.2 ℃,波动幅度比室外空气减小了93.48%.地埋管进口最高温度为36.4 ℃,出现在9月7日16:00左右,此时对应的出口温度为27 ℃,温度降低9.4 ℃; 地埋管进口最低温度为18 ℃,出现在9月7日5:00左右,对应出口温度为25.8 ℃,温度升高7.8 ℃.说明地埋管可以有效对室外空气进行冷却和加热,从而维持出口空气温度稳定,改善室内热环境.
图7 地埋管进出口空气温度变化图
Fig.7 Variations of air temperature at EAHE inlet and outlet
3.4 地埋管进出口相对湿度
图8所示为地埋管进出口空气相对湿度及进口空气温度变化情况.地埋管进口空气的相对湿度在24.1%~98.6%之间变化,变化趋势与进口空气温度变化相反,出口空气相对湿度波动明显较小,变化范围为49.1%~84.1%,波动幅度比室外空气温湿度减小了53%.这说明地埋管可以有效地将送入室内空气的相对湿度维持在比较稳定的范围.
3.5 制冷量
图9所示为地埋管制冷量与太阳辐射强度的变化情况,由图可以看出,随着太阳辐射强度变化,制冷量变化较大.在太阳辐射较强的几天,即9月3日至9月8日,制冷量峰值在600~800 W波动; 9月9日天气为多云,太阳辐射强度相对前几天较低且不稳定,制冷量减少为400~600 W,降幅达33%.显然,耦合系统制冷量随太阳辐射强度的增加而增加,反之亦然.此外,如图8所示,制冷量峰值的出现比太阳辐射强度峰值的出现滞后了约1~1.5 h,而我们希望在太阳辐射强度最大时可以达到最大制冷量.故若能进一步对耦合系统进行优化设计,减小太阳辐射强度与系统制冷量之间的时间延迟,提升二者的匹配关系,将会进一步提升耦合系统的性能.
3.6 室内温度
图 10所示为实验房间和对比房间的室内空气温度变化情况.由图可知,在测试期间,实验房间与对比房间温度变化趋势基本相同,而实验房间空气温度要低于对比房间,二者的温差在白天更为明显,夜晚则相对较小.对比房间室内温度在26.9~36.4 ℃之间波动,平均温差为5.6 ℃; 而实验房间的温度波动在26.5~29.9 ℃之间,平均温差为2.9 ℃,实验房间的温度波动比对比房间降低48.2%.同时,实验房间温度比对比房间平均降低了2.5 ℃.由此可见,耦合系统在夏季可以有效降低室内温度并减小室温波动,从而提高室内热环境水平.
图8 地埋管进出口空气相对湿度与进口空气温度变化图
Fig.8 Variations of air relative humidity at EAHE inlet and outlet
图9 制冷量与太阳辐射强度变化图
Fig.9 Variations of cooling capacity and solar radiation intensity
图 10 实验房间与对比房间室内温度变化图
Fig.10 Variations of air temperature in test and reference chamber
3.7 地埋管中心空气温度
图 11所示为地埋管长度方向不同位置中心空气温度变化情况.由图可知,在夏季白天,地埋管对空气有显著的降温效果.在水平管段的前15 m,即1C测点到3C测点(2C测点热电偶损坏造成数据缺失),空气在这段管道中降温幅度较大,1C测点空气平均温度为35.4 ℃,3C测点为28.2 ℃,温度降幅达7.2 ℃.相比于水平管段的前15 m,管段后15 m(即4C~6C测点)降温幅度明显减小,平均温降为1.6 ℃.这说明地埋管内空气与土壤的热交换主要发生在管段的前半部分.同时,从图中可以看出,在进口(1C)空气温度不同的情况下,30 m处(6C)空气温度基本一致,说明地下3 m、长30 m的地埋管对空气有充分的冷却作用,并且在进口空气温度较高时降温效果更显著.夜晚空气温度变化规律与白天相同,但过程相反,由降温变为升温.
3.8 土壤温度
图 12所示为T1组测点所在截面土壤水平方向的温度变化情况.1H1、1H2、1H3分别距离地埋管外壁15 cm、30 cm、45 cm(即0.5倍、1倍、1.5倍管径).由图可知,实验开始时,三个测点处的土壤温度基本相同,约为23.85 ℃; 实验开始后,由于和流经管内的空气发生热交换,土壤温度开始波动,呈现明显的周期性变化.其变化规律与室外空气温度变化规律呈相似的趋势, 但与室外空气温度相比,存在峰值的衰减和时间的延迟.从图 10可以看出,距离地埋管越近,土壤温度越高,测点1H1比1H2平均高0.25 ℃,1H2又比1H3高0.11 ℃,这说明靠近地埋管的土壤与管内空气换热更多,其受空气温度影响更大,故升温更明显.在系统连续运行期间,1H1~1H3测点的土壤温度相比实验开始时均呈现上升趋势,各测点温度峰值如表3所示.
图 11 地埋管中心及出口温度变化
Fig.11 Variations of air temperature at the center line and outlet of EAHE
图 12 管道截面水平方向土壤温度变化
Fig.12 Variations of soil temperature in horizontal direction of pipeline section
表3 不同测点土壤温度峰值
Tab.3 Soil temperature peaks at different measuring points
由表3可知,1H1测点的升温幅度明显高于1H2和1H3,且随着系统运行时间的延长,各点的升温幅度开始逐渐减小,造成这一现象的原因有两点,一是随着土壤温度的上升,土壤与空气间的温差逐渐减小,传热效果逐渐减弱; 二是夜晚室外空气温度较低,冷空气进入地埋管与土壤换热,使土壤被冷却,从而与白天的温升抵消,达到热平衡.由此可知,合理进行夜间通风,充分利用夜晚冷空气对土壤的降温作用,有利于土壤温度的恢复,从而增加耦合系统连续运行的稳定性.
图 13所示为T1组测点所在截面土壤竖直方向的温度变化情况.1V1、1V2、1V3分别距离地埋管外壁15 cm、30 cm、45 cm(即0.5倍、1倍、1.5倍管径).与水平方向类似,由于室外空气温度的影响,竖直方向土壤温度呈周期性变化,且相比室外空气存在峰值衰减和时间延迟.在实验开始时,由于埋深不同,相邻测点间有约0.5 ℃的温差,埋深最深的1V1测点温度低,为24.4 ℃; 1V2测点次之,为24.9 ℃; 埋深最浅的1V3测点温度最高,为25.3 ℃.1V2和1V3测点变化规律与水平方向基本一致,在前5天每日约升温0.2 ℃,后两天趋于稳定.1V1测点变化规律却与其他测点有较大区别,其波动幅度更大,峰值持续时间更短,这是由于1V1测点靠近地埋管,受室外空气温度影响更大.
土壤温度能否恢复是决定地埋管是否能稳定连续运行的关键因素.图 14所示为1H1测点土壤在系统工作期与恢复期的温度变化情况.在系统连续运行一周结束后,马上将地埋管进出口用密封盖进行密封,然后对土壤温度变化进行观测,直到土壤温度恢复稳定.
图 13 管道截面垂直方向土壤温度变化
Fig.13 Variations of soil temperature in vertical direction of pipeline section
图 14 连续运行和恢复期间土壤温度的变化
Fig.14 Variations of soil temperature during continuous operation and recovery periods
在系统连续运行期间,1H1测点由于位于地埋管进口附近,故最先受到进口空气温度影响,导致运行期间温度持续升高,直到第六天温度才趋于稳定.该测点土壤初始温度为23.9 ℃,系统连续运行一周后温度为24.7 ℃,升高了0.8 ℃.在恢复期内,土壤温度逐渐降低,在9.10~9.12期间土壤降温幅度较大,之后降温速率减小,最终在9.16恢复系统运行前的初始温度.由此可见,尽管土壤只有不到1 ℃的温升,在自然状态下却需要6 d才能恢复至初始状态.由表3结论可知,夜间室外冷空气对土壤有良好的降温效果,因此,充分利用夜间通风,发挥夜间空气的自然冷源作用,对土壤温度的恢复有积极作用.