太阳能—土壤源热泵系统联合运行模式的研究

【摘要】：为了解决寒冷地区传统土壤源热泵在长期运行后机组性能下降的问题,人们提出了太阳能-土壤源热泵系统(SGCHP),该系统中太阳能和地热能可以共同作为系统的低位热源联合供暖。本文主要讨论了该系统在供暖工况下的联合运行模式。 为了研究寒冷地区太阳能-土壤源热泵系统供暖季联合运行的详细运行特性,本文首先建立了系统几个重要组成部件的数学模型,探讨了各联合运行模式的模拟计算方法,并选取了西安地区一个普通居民建筑物作为研究对象进行算例分析。基于DeST能耗分析软件计算了该建筑物的全年逐时冷、热负荷以及气象参数,并根据水平面和倾斜面上的太阳辐射转换理论计算得到供暖季太阳能集热器最佳倾角(66°)以及该倾角下集热器接收到的全年逐时辐射强度数据。基于Matlab科学计算软件编程模拟计算了3个联合运行模式(串联模式、并联模式和蓄热模式)在供暖季的运行特性。 根据计算结果,得出结论：串联模式在本文系统中能发挥最佳运行效果和最高节能性,其整个供暖季的平均热泵机组COP为3.49,节能率可达9.8%。并联模式下e值(地埋管侧流量比)取得越高,系统的节能性越好；e值取0.75时其整个供暖季的平均热泵机组COP和节能率与串联模式非常接近；当e值超过0.75时,系统的节能性改善不明显。蓄热模式是一种特殊的联合运行模式,经研究发现该运行模式较适合于夜间热负荷较大,而白天热负荷较小的特殊建筑物或场合。 此外,通过对串联模式中太阳能集热面积和地埋管钻孔总深度两个参数进行优化后发现：从整个供暖季看来,地埋管钻孔总深度对于热泵机组平均COP值的影响要大于太阳能集热面积的影响,在进行联合运行模式下的太阳能-土壤源热泵系统设计时,应考虑地埋管承担主要负荷。并且通过对针对本文所研究建筑物的5个典型太阳能集热面积与不同地埋管钻孔总深度的组合下的系统在串联模式下的运行特性计算后发现,对于不同的太阳能集热面积,都有一个相对应的最优地埋管钻孔总深度,本文所设计的系统中最优地埋管钻孔总深度是88×37m。 【关键词】：太阳能-土壤源热泵 联合运行模式 集热面积优化 钻孔深度优化
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU831
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 主要符号表8-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 研究目的和意义12-13
• 1.3 国内外研究现状13-16
• 1.3.1 国外研究现状14-15
• 1.3.2 国内研究现状15-16
• 1.4 有待解决的问题16
• 1.5 本文主要研究内容16-18
• 2 太阳能-土壤源热泵系统的原理和联合运行模式18-29
• 2.1 太阳能-土壤源热泵系统结构和联合运行原理18-19
• 2.2 太阳能-土壤源热泵系统联合运行模式19-20
• 2.3 系统各部件的耦合及各联合运行模式算法20-28
• 2.3.1 系统各部件的模块化处理20-22
• 2.3.2 系统模拟计算方法设计22-28
• 2.4 本章小结28-29
• 3 太阳能-土壤源热泵系统主要部件的数学模型29-62
• 3.1 垂直U型地埋管换热器的数学模型29-43
• 3.1.1 浅层土壤热源主要热特性参数29-33
• 3.1.2 垂直U型地埋管的传热机理和数学模型33-38
• 3.1.3 变热流量工况下垂直U型地埋管传热计算模型38-39
• 3.1.4 垂直U型地埋管换热器进、出口温度的确定39-40
• 3.1.5 常热流与变热流两种工况的温度响应比较40-41
• 3.1.6 圆柱型热源模型的验证41-43
• 3.2 太阳辐射和太阳能集热系统的数学模型43-56
• 3.2.1 集热器相关太阳辐射模型43-44
• 3.2.2 倾斜面上逐时太阳辐射强度的计算44-46
• 3.2.3 西安地区太阳能集热器倾角优化设计和辐射强度计算46-50
• 3.2.4 太阳能集热系统的数学模型50-55
• 3.2.5 太阳能集热系统的控制55-56
• 3.3 热泵机组的数学模型56-60
• 3.3.1 热泵机组及其模型概述56-57
• 3.3.2 热泵机组方程拟合模型57-60
• 3.4 本章小结60-62
• 4 太阳能-土壤源热泵系统的设计62-85
• 4.1 建筑物全年逐时负荷计算62-67
• 4.1.1 DeST建模和设置63-65
• 4.1.2 模拟结果65-67
• 4.2 热泵机组设计选型67-68
• 4.3 垂直U型地埋管换热器的设计68-79
• 4.3.1 钻孔长度计算69-72
• 4.3.2 地埋管系统相关参数的确定72-74
• 4.3.3 设计计算结果及优化74-79
• 4.4 太阳能集热面积的确定79-80
• 4.5 蓄热水箱的容积确定80-84
• 4.6 本章小结84-85
• 5 太阳能-土壤源热泵系统联合运行模拟85-102
• 5.1 太阳能-土壤源热泵系统联合运行的动态模拟85-86
• 5.2 模拟结果及分析86-98
• 5.2.1 供暖季运行一个月的系统特性分析86-90
• 5.2.2 供暖季典型日下模拟结果详细分析90-95
• 5.2.3 联合运行模式在整个供暖季的运行特性分析95-98
• 5.3 联合运行模式下太阳能集热面积和地埋管钻孔总深度的优化98-101
• 5.3.1 优化方法98-99
• 5.3.2 优化结果及分析99-101
• 5.4 本章小结101-102
• 6 结论和展望102-104
• 6.1 结论102-103
• 6.2 展望103-104
• 致谢104-105
• 参考文献105-110
• 附录110

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