季节蓄热型太阳能—土壤耦合热泵系统的设计优化研究

【摘要】：严寒地区冬季漫长，建筑物的供暖热负荷远大于空调冷负荷。若单纯采用土壤源热泵系统，则冬季从土壤中的取热量有可能会大于夏季释放给土壤的热量。因此系统常年运行会使得地下土壤温度场逐年降低，且难以在过渡季节充分恢复，继而使热泵的供暖性能系数恶化。太阳能-土壤耦合热泵系统（Solar-Ground Coupled Heat Pump, SGCHP）利用太阳能集热器收集非采暖季节的太阳能，通过地埋管换热器储存到土壤中，冬季再使用热泵将热量提取出来，为建筑物供暖。这种跨季节的土壤蓄热，不仅能将非采暖季丰富的太阳能资源转移到冬季使用，而且可以使土壤温度得到充分恢复，保证热泵系统的高效运行。如果复合系统能够设计合理，那么就可以有效地扩大太阳能这种可再生能源的应用范围，带来显著的节能效益。 因此，本文首先收集整理了《建筑用气象数据手册》中各地的太阳辐射数据资料，计算出了不同地区太阳能集热器不同的安装倾角下集热板所能接收到的太阳辐射量的方法，编程计算给出了各个地区的太阳能集热器最佳安装倾角，比传统建议的以地理纬度为安装角的值略小一些。接着，介绍了太阳能集热系统设计方面的基本理论。 然后，选取了榆林地区的一栋单体办公建筑（面积3500㎡），采用DEST负荷计算软件，模拟得到当地典型气象年参数下该建筑的全年逐时空调及采暖负荷。利用GLDPremier2012软件，模拟分析了土壤的热物性参数、埋管间距和回填材料导热系数等参数对该建筑冬夏逐时负荷作用下地埋管从土壤中取放热所引起土壤温度的累年变化特征的影响，给出了土壤温度随着运行年份推移而变化的规律。 最后，采用三维动态数值模拟方法，对地埋管换热器在土壤中的取热以及蓄热过程进行了模拟，分析了地埋管换热器的蓄热性能。此外，还模拟了埋管管群的蓄热情况，对埋管间距、埋管进口流体温度以及蓄热时间对蓄热性能的影响进行了分析，并且对各影响因素下运行一段时期后土壤的温度场进行了对比与分析。在模拟计算中得到了大量的关于地源热泵地埋管换热器在土壤中的蓄热量以及土壤温度场变化特性的数据。最后模拟了全年工况，基于模拟所得到的土壤温度变化数据，计算得出了夏季所能蓄存到土壤中的热量以及冬季能从土壤中提取出来的热量。结果显示：土壤释热率为92.8％，土壤平均温升为0.54K，这在工程应用中是可取的。 这一结论有助于利用地埋管通过太阳能季节性蓄热实现寒冷地区土壤源热泵系统的应用。 【关键词】：太阳能-土壤源耦合热泵 地埋管换热器 季节性蓄热 土壤温度恢复性
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU833
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.1.1 国内能源状况9
• 1.1.2 可再生能源的开发与利用9-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 地源热泵系统研究现状10-11
• 1.2.2 太阳能系统研究现状11-12
• 1.2.3 太阳能-地源热泵复合系统研究现状12-14
• 1.3 SGCHP系统的提出14-16
• 1.3.1 SGCHP系统的工作原理15
• 1.3.2 SGCHP系统的运行模式15-16
• 1.4 论文研究内容16-17
• 2 太阳能集热系统17-32
• 2.1 太阳能集热器的形式17-18
• 2.2 太阳能集热器安装倾角的确定18-27
• 2.2.1 太阳能辐射强度计算19-23
• 2.2.2 几个典型地区的太阳能集热器最佳倾角计算23-27
• 2.3 太阳能集热器的连接形式27-28
• 2.4 太阳能集热器的安装位置28-29
• 2.5 太阳能集热器面积的确定29-30
• 2.6 太阳能系统蓄热水箱的设计30-32
• 3 地埋管系统设计32-41
• 3.1 地埋管换热器设计模拟软件介绍32-36
• 3.2 地下温度场的影响因素36-41
• 3.2.1 回填材料对土壤温度场的影响37-39
• 3.2.2 岩土类型对土壤温度场的影响39-40
• 3.2.3 钻孔间距对土壤温度场的影响40-41
• 4 太阳能季节性土壤蓄热的数理模型41-48
• 4.1 引言41
• 4.2 垂直U形埋管土壤蓄热数理模型的建立41-48
• 4.2.1 U型管内流体流动换热问题的数学描述42-44
• 4.2.2 网格划分44-45
• 4.2.3 边界条件的确定45-46
• 4.2.4 方程的计算流程46
• 4.2.5 模拟结果评价参数的定义46-48
• 5 基于SGCHP系统的土壤蓄热特性的研究48-62
• 5.0 引言48
• 5.1 埋管间距对蓄热的影响48-54
• 5.2 不同入口水温对地下蓄热温度场的影响54-59
• 5.3 运行模式对土壤蓄热的影响59-60
• 5.4 全年运行工况下取热量与蓄热量的研究分析60-62
• 6 结论与展望62-64
• 6.1 结论62-63
• 6.2 建议与展望63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-69

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