太阳能-土壤源热泵双热源耦合特性及地下蓄能传热强化研究

摘要

随着社会进步和人们生活水平的提高，能源的重要性日益凸显，社会的可持续发展要求能源具备可持续利用的基本特点。太阳能-土壤源热泵系统充分利用清洁太阳能作为系统主要热源之一，具有单独土壤源热泵系统无法比拟的优势，因此具有广阔的应用前景。本文通过实验研究、TRNSYS仿真及MATLAB模拟相结合的方法，对太阳能-土壤源热泵系统双热源耦合特性及地下蓄能传热强化进行了分析和研究。
　　实验方面，利用太阳能-土壤源热泵系统实验台进行了单独土壤源热泵供热、太阳能-土壤源热泵系统联合供热、水箱蓄热运行和土壤蓄热运行实验。分析比较了太阳能-土壤源热泵系统在各实验工况下机组性能系数、埋管进出口水温变化、系统热量关系、太阳能集热效率及双热源的耦合特性，得到了不同负荷场所适宜运行的工况。实验表明:太阳能-土壤源热泵联合供热运行模式中，太阳能和土壤源是耦合的。实验条件下，该模式工况一和工况二机组平均COP分别为3.61和3.48，太阳能平均集热效率分别为51.5和38.2％。水箱蓄热运行模式可显著提高机组的性能系数，水箱蓄热工况二比工况一埋管出口温度高出1.85℃，土壤温降更小，更加有利于系统第二天运行。土壤蓄热运行模式有助于土壤温度恢复，工况一与工况二土壤温度恢复率分别为56.8和13.82％，太阳能平均集热效率分别为47.8和41.5％。综合分析实验结果，对于仅需夜间供热且供热负荷较大场所，水箱蓄热工况二和土壤蓄热工况二较为适宜，两种工况机组平均COP分别可达3.91和3.8;在白天全天需供热场所，联合运行工况一为推荐工况。
　　理论方面，本文基于TRNSYS瞬态模拟平台，建立了太阳能-土壤源热泵系统仿真模型，并进行了不同工况10年的动态模拟计算，分析了各模式下土壤平均温度、机组性能系数、太阳能集热效率等随时间的变化规律。结果表明:在以供热为主的场所，太阳能-土壤源热泵系统能够较好保持土壤热平衡，10年后土壤源单独运行、联合运行、水箱蓄热运行和交替运行土壤温度下降率分别为29.1、13.1、17.1和8.6％。整个供暖期内，土壤源单独运行、联合运行、水箱蓄热运行和交替运行机组平均COP分别为4.5、4.87、4.7和4.78，太阳能平均集热效率分别为59.4、44.8和62.6％，太阳能所占负荷比分别为45.1、19.3和60.4％。对太阳能-土壤源热泵联合运行工况进行优化分析可得:模拟条件下系统适宜集热器面积、水箱容积以及埋管数量分别为140m2、2.8m3和9个。
　　为进一步探讨太阳能-U型埋管地下蓄能与释能过程中的强化传热措施，利用MATLAB软件编制了地下蓄能传热数学模型，研究了土壤类型、蓄能进口温度、蓄能分配模式对强化土壤蓄热量的影响规律。结果表明:随热扩散率值增大，土壤温度趋于一致能力增大，更加有利于土壤蓄热。随着蓄热进口水温增大，埋管蓄热区域土壤温度和蓄热量升高。外低温内高温的非均匀蓄热模式在蓄热量上并不占明显优势，但该蓄热模式可明显减弱热量的扩散，提高蓄热体的平均温度。全年取放热运行后，热扩散率最大的花岗岩土壤中心温度最低，其次是砂土和黏土。
　　本文的研究工作为太阳能-土壤源热泵系统耦合特性及地下蓄能强化的进一步深入研究提供了实验数据与理论依据，为太阳能-土壤源热泵的实际工程应用提供了参考。

目录

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 能源利用现状与太阳能资源分布

1．1．2 太阳能-土壤源热泵技术的提出及基本原理

1．2 国内外研究现状

1．2．1 系统运行模式与运行特性研究

1．2．2 系统仿真与模拟

1．2．3 跨季节地下蓄热与相变蓄热

1．3 本论文的主要研究内容

第二章 太阳能-土壤源热泵双热源耦合特性实验研究

2．1 实验目的及内容

2．2 实验系统

2．2．1 实验系统简介及原理

2．2．2 实验数据采集

2．3 实验运行模式及流程

2．4 实验数据的处理与误差分析

2．4．1 实验数据的处理

2．4．2 误差分析

2．5 实验结果与分析

2．5．1 单独土壤源热泵运行模式实验

2．5．2 太阳能-土壤源热泵联合供热运行实验

2．5．3 太阳能-土壤源热泵水箱蓄热运行实验

2．5．4 太阳能-土壤源热泵土壤蓄热运行实验

2．5．5 各实验工况的比较

2．6 本章小结

第三章 太阳能-土壤源热泵系统TRNSYS数学模型

3．1 TRNSYS软件简介

3．1．1 软件开发背景

3．1．2 TRNSYS功能与特点

3．2 太阳能集热器模型

3．3 地埋管换热器模型

3．4 热泵机组数学模型

3．5 蓄热水箱数学模型

3．6 定速水泵数学模型

3．7 建筑负荷

3．8 本章小结

第四章 太阳能-土壤源热泵耦合系统TRNSYS模拟

4．1 课题模拟的主要目的

4．2 TRNSYS模拟部件设置

4．2．1 负荷数据读取部件

4．2．2 动力系统部件

4．2．3 集热与换热系统部件

4．2．4 控制系统部件

4．3 模拟系统可行性验证

4．4 太阳能-土壤源热泵系统运行特性的TRNSYS模拟

4．4．1 各运行工况模拟平台搭建

4．4．2 仿真模型运行作息时间的设置

4．4．3 10年工况模拟与结果分析

4．5 太阳能-土壤源热泵联合运行工况优化分析

4．5．1 集热器面积

4．5．2 水箱容积

4．5．3 埋管数量

4．6 本章小结

第五章 地下蓄能传热强化研究

5．1 地下蓄能传热模型

5．1．1 物理模型

5．1．2 数学模型

5．2 蓄能模型的数值求解

5．2．1 计算区域的离散

5．2．2 控制方程的离散

5．2．3 计算方式及模拟条件

5．3 计算结果及其分析

5．3．1 土壤类型的影响

5．3．2 蓄能温度的影响

5．3．3 蓄能分配方式的影响

5．3．4 跨季节蓄能与取能分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文与研究的项目及获奖情况

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