北方地区土壤源热泵负荷失衡问题研究

摘要

处在现代化建设进程中的中国，能源与环境问题逐步受到了重视。基于节能环保、有效利用可再生能源的优势，土壤源热泵技术在中国得到了较大规模的应用。然而我国纬度跨度大，在土壤源热泵工程的实际应用中，由于所服务建筑物的冷热负荷总量相差较大、系统运行策略不合理等原因，使得系统全年从土壤提取的热量与向土壤释放的热量不匹配，形成土壤负荷失衡，引起土壤温度连年变化，导致土壤源热泵系统运行效率逐年降低，甚至无法正常运行。这在很大程度上限制了该技术的大范围推广。 为了积极推进国家能源局的《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》，本文针对北方地区土壤源热泵系统在实际工程中普遍存在的负荷失衡问题，以山东省日照市某土壤源热泵实际工程为对象，通过对其长期实际运行数据和建模计算结果的整理分析，对土壤源热泵系统在设计及运行中的负荷失衡问题进行了深入研究，并提出了可行的解决方案。 首先，本文探讨了国内外研究中地埋管换热器传热的数学模型，并依据现有模型对变负荷工况下钻孔壁的热响应进行了简要计算； 然后，以山东省日照市某实际工程的相关数据为基础，简述了常规土壤源热泵系统的设计过程，着重分析了该系统的冷热负荷不平衡率，并通过运行策略的制定将负荷不平衡率控制在合理范围； 其次，对该实际工程进行数据调研，收集热泵系统的运行数据进行处理，分析土壤源热泵系统在实际运行过程中出现的问题，并分析原因； 再次，针对该工程在实际使用中出现的、极具代表性的以热负荷占优的负荷失衡问题，以实际工程的负荷特点为基础，利用TRNSYS软件，对该系统进行长期运行模拟，分析土壤温度变化、机组运行数据变化，并对热泵机组的性能做出预判； 最后，针对土壤负荷失衡问题，提出相应的多种解决方案，并相应的利用TRNSYS软件进行了长期运行模拟，着重分析了土壤温度的变化，验证了方案效果和可行性。 研究结果表明，由于气候条件、运行模式的影响，该土壤源热泵系统在实际运行中的负荷不平衡率高达77%，远大于设计工况下的不平衡率，已经引起土壤温度连年下降，严重影响了系统的运行性能。本文中提出的负荷失衡具体解决方案可以有效缓解土壤温度场与热平衡的逐年恶化：针对于一台热泵机组运行的工况，使用4000m2太阳能集热器可于全年两个过渡季中集热并向土壤补热1833369KW·h，使土壤达到提/放热量收支平衡，有利于系统的长期高效运行；采用市政热源分担部分热负荷的方式，同样可以保证土壤温度场的相对稳定，通过低成本改造保证现有系统的节能稳定运行。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 选题目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 主要研究内容

第二章 地埋管换热器传热及负荷失衡特性

2.1 钻孔内的传热分析

2.1.1 钻孔内一维导热模型

2.1.2 钻孔内的二维导热模型

2.2 钻孔外的传热分析

2.2.1 钻孔外一维导热模型

2.3 地埋管换热器在变负荷工况下的温度响应

2.3.1 变负荷工况下的温度响应

2.3.2 周期性热流作用下的温度响应

第三章土壤源热泵系统建模

3.1 TRNSYS16软件介绍

3.2 TRNSYS16主要模块以及数学依据

3.2.1 热泵机组模块

3.2.2 循环水泵模块

3.2.3 地埋管换热器模块

3.3 土壤源热泵系统仿真模型

第四章实际土壤源热泵系统设计及负荷特点

4.1 土壤源热泵系统相关参数

4.2 工程概况

4.2.2 建筑动态负荷

4.2.3 负荷汇总

4.3 土壤源热泵系统工程设计

4.3.1 地埋管换热器的设计

4.3.2 末端系统设计

4.3.3 系统热泵机组的选取

4.4 系统负荷特点分析

4.5 热泵机房设备及流程

4.6 系统设备实景

4.7 本章小结

第五章 实际系统运行数据及负荷失衡分析

5.1 土壤源热泵系统实际运行数据

5.1.1 数据来源

5.1.2 数据处理

5.2 数据分析

5.2.1 土壤源热泵机组性能分析

5.2.2 土壤源热泵土壤源侧地温变化分析

5.3 本章小结

第六章 TRNSYS模型验证及负荷失衡模拟

6.1 实测数据处理

6.2 土壤源热泵系统模拟

6.2.1 土壤源热泵系统模型验证

6.2.2 土壤源热泵系统模型长期运行仿真模拟

6.2.3 模拟结果分析

6.3 本章小结

第七章 土壤源热泵负荷失衡解决方案

7.1 土壤源热泵系统负荷失衡解决方案制定

7.2 太阳能过渡季补热方案

7.2.1 补热理论

7.2.2 太阳能过渡季补热系统模型构建

7.2.3 太阳能过渡季补热运行模拟

7.2.4 太阳能过渡季补热方案下的土壤源热泵系统模型构建

7.2.5 太阳能过渡季补热方案下的土壤源热泵系统运行模拟

7.2.6 太阳能过渡季补热方案的经济性考量

7.2.7 太阳能过渡季补热方案分析

7.3 市政热源分担负荷方案

7.3.1 市政热源分担负荷方案建立的依据

7.3.2 市政热源分担负荷量的确定

7.3.3 市政热源分担负荷后的土壤源热泵系统模拟

7.3.4 市政热源分担负荷方案分析

7.4 调整运行策略方案

7.5 方案比较

7.6 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 总结

8.2 展望

参考文献

致 谢

攻读学位期间发表的学术论文