太阳能土壤蓄热供暖（冷）系统埋地换热器性能研究

【摘要】：太阳能-土壤源热泵(Solar-Ground Source Heat Pump, SGSHP)因其利用太阳辐射热和可再生的浅层土壤热,被认为是21世纪一项最具有发展前途的、具有节能和环保意义的制冷空调技术。该系统是以太阳能作为主要热源的热泵系统。制约太阳能-土壤源热泵技术发展的因素很多,其中,太阳能的蓄存、地下埋管换热器换热和土壤热平衡问题一直是太阳能土壤源热泵技术的研究关键。 本文在总结了国内外太阳能土壤源热泵技术与蓄能技术的基础上,将二者有机地结合在一起,设计了太阳能季节性土壤蓄热供暖(冷)系统(Heating (Cooling) System of Solar Seasonal Soil Storage),该系统主要是由太阳能集热系统、土壤蓄热系统、热泵机组、地板辐射末端装置组成。本文以该系统的地下埋管换热器作为研究对象,主要从以下几个方面进行了研究: 首先,利用有限单元法建立了土壤换热器三维数理模型,模拟了系统连续运行两年土壤温度场的变化及恢复情况。运行结束,土壤温度比初始值高了将近1℃。该系统特别适合用于严寒地区,冬季:太阳能做为主要热源,土壤源热泵做为辅助热源;夏季:土壤换热器直接供冷。土壤一年三季(春、夏和秋)进行长期蓄热,这样不仅保持了土壤的热平衡,还为下一个冬季更好地供暖提供了保证。 其次,在所建立的数理模型基础上,本文首先模拟了单根U型管换热器的运行特性,研究了以年为周期,系统运行两年的不同深度(5m、30m和50m)土壤的温度变化情况、不同运行工况下U型管换热器对周围土壤温度的影响、不同土壤热物性和不同U型管管材对周围土壤温度的影响。 再次,又模拟了多根U型管换热器的运行特性,从土壤热物性、埋管管材、埋管间距及埋管排列方式四个方面分析了影响土壤与埋管换热器之间的换热效果。其中,埋管管材对长期运行的太阳能季节性土壤蓄热供暖(冷)系统影响不是很大。在选择管材类型时,可从经济上考虑,本文选择了价格低廉的普通聚乙烯管材。 另外,对换热影响最大的是埋管排列方式。四种排列方式中圆形的排列方式换热器换热能力最强,其次是多边形和正方形排列方式,最差的为矩形排列。换热能力强的排列方式,冬季换热器日取热量大,出水温度高;但夏季出水温度过低,不利于地板辐射供冷。因此,在选择换热器排列方式时,本文采用的是矩形排列,虽然冬季换热效果没有前三种好,但完全可以满足供暖要求,夏季又符合地板辐射供冷水温的要求。 最后,为了考察太阳能季节性土壤蓄热供暖(冷)系统的运行特性,同时验证本文所建数学模型的正确性,在哈尔滨市松北区建立了太阳能季节性土壤蓄热供暖(冷)实验系统示范工程。本实验系统是把太阳能热泵、土壤蓄热及地板辐射系统有机的结合在一起的供暖(冷)空调系统,于2007年11月开始运行。实验测得:供暖中期平均供暖性能系数为5.01,供暖末期供暖性能系数可达13.02。在相同(或近似)的条件下,通过比较实验值和模拟值吻合较好,验证了本文建立的数学模型的正确性和可靠性。 太阳能季节性土壤蓄热供暖(冷)系统是一种新型节能、环保的供暖(冷)系统,由于经济性等原因,目前该系统在实际中还得不到广泛的应用,但是随着常规能源的日益枯竭、能源价格的逐渐上涨、环保压力的不断增加,同时还由于太阳能供暖、空调技术的不断完善,太阳能季节性土壤蓄热供暖(冷)系统将成为一种非常有竞争力的供暖(冷)方式。本文的工作可以为今后太阳能季节性土壤蓄热供暖(冷)系统的应用提供理论基础和技术支持。 【关键词】：太阳能 季节性土壤蓄热 埋地换热器 有限单元法 运行特性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TU831.3
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 物理量名称及符号表7-15
• 第1章 绪论15-34
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义15-21
• 1.1.1 课题背景15-18
• 1.1.2 研究的目的和意义18-21
• 1.2 国内外研究现状分析21-32
• 1.2.1 土壤源热泵的研究现状21-27
• 1.2.2 太阳能-土壤源热泵的研究现状27-30
• 1.2.3 太阳能-土壤源热泵与地板辐射空调系统联合运行30-31
• 1.2.4 国内外在研究太阳能-土壤源热泵技术存在问题与分析31-32
• 1.3 本文的主要工作32-34
• 第2章 竖直U型埋管换热器传热过程的理论分析34-49
• 2.1 概述34
• 2.2 地下竖直U型埋管换热器的传热过程34-36
• 2.3 地下竖直U型埋管换热器三维有限元数值模拟36-44
• 2.3.1 物理模型的建立37-38
• 2.3.2 数学模型的建立38-40
• 2.3.3 模型的数值求解40-44
• 2.4 土壤热物性44-48
• 2.4.1 土壤的比热45
• 2.4.2 土壤的导热系数45-46
• 2.4.3 土壤的导温系数46-47
• 2.4.4 土壤初始温度场分布47-48
• 2.5 本章小结48-49
• 第3章 单根竖直U型管换热器对周围土壤温度场影响分析49-60
• 3.1 不同深度土壤温度变化情况49-53
• 3.1.1 供暖期结束后换热器周围土壤温度变化情况50-51
• 3.1.2 蓄热期结束后换热器周围土壤温度变化情况51-52
• 3.1.3 系统运行两年换热器周围土壤温度变化情况52-53
• 3.2 不同运行工况对土壤温度影响53-56
• 3.2.1 无过渡季蓄热的SGSHP运行工况53-54
• 3.2.2 土壤源热泵运行工况54-55
• 3.2.3 不同运行工况对周围土壤温度影响55-56
• 3.3 土壤物性对周围土壤温度影响56-57
• 3.4 埋管管材对周围土壤温度的影响57-58
• 3.5 本章小结58-60
• 第4章 多根竖直U型管换热器对周围土壤温度场影响分析60-80
• 4.1 太阳能土壤蓄热供暖(冷)系统运行两年土壤温度变化60-64
• 4.2 不同土壤物性对换热器周围土壤温度影响64-67
• 4.2.1 换热器周围土壤温度变化情况64-65
• 4.2.2 冬季工况换热影响分析65
• 4.2.3 夏季工况换热影响分析65-67
• 4.3 不同埋管材质对换热器周围土壤温度影响67-70
• 4.3.1 换热器周围土壤温度变化情况67-68
• 4.3.2 冬季工况换热影响分析68-69
• 4.3.3 夏季工况换热影响分析69-70
• 4.4 不同管间距对换热器周围土壤温度影响70-73
• 4.4.1 换热器周围土壤温度变化情况70-71
• 4.4.2 冬季工况换热影响分析71-73
• 4.5 换热器不同排列方式对周围土壤温度影响73-78
• 4.5.1 换热器周围土壤温度变化情况73-75
• 4.5.2 冬季工况换热影响分析75-76
• 4.5.3 夏季工况换热影响分析76-78
• 4.6 本章小结78-80
• 第5章 太阳能土壤蓄热与地板辐射联合的供暖(冷)系统实验验证与分析.80-105
• 5.1 实验目的80
• 5.2 实验系统简介80-87
• 5.3 实验系统的运行模式87-92
• 5.4 实验系统运行模式转换条件92
• 5.4.1 太阳能集热系统开、闭条件92
• 5.4.2 热泵开、闭条件92
• 5.5 实验系统的运行条件92-93
• 5.6 测试仪表的选择及标定93-95
• 5.7 系统特性的实验验证与分析95-103
• 5.7.1 冬季系统特性分析96-98
• 5.7.2 夏季系统特性分析98-101
• 5.7.3 全年系统特性分析101-103
• 5.8 本章小结103-105
• 结论105-107
• 参考文献107-116
• 攻读博士学位期间发表的论文116-119
• 致谢119-120
• 人简历120

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