基于地埋管的太阳能季节性蓄热的地下传热分析及其工程应用

摘要

本文提出传统地源热泵和太阳能季节性蓄热系统的运行方案和控制方式，在TRNSYS里对两种系统构建了相应的模型，进行了模拟，并分析了两种系统全年地热换热器周围土壤温度随时间的变化情况。
　　在系统模型里对各参数进行设定，其中土壤的初始温度为15.2℃。首先模拟了系统运行1年和20年土壤温度随时间的变化，分析得出传统地源热泵系统从第一年制热季开始到次年制热季结束，土壤最低温度为14.27℃，太阳能季节性蓄热系统为15.03℃，比地埋管耦合热泵系统的土壤温度高出0.76℃。两种系统运行20年的数据显示地源热泵系统的最低温度为12.9℃，太阳能季节性蓄热系统的最低温度为15.51℃，两者的温度相差2.61℃，并且季节性蓄热系统地下土壤温度的均值呈现上升趋势，相反地源热泵系统的土壤温度呈现下降趋势。同时对地埋管耦合热泵和季节性蓄热系统一年的运行数据进行对比分析，得出一年之后太阳能季节性蓄热系统比传统地源热泵系统的土壤温度全年整体平均温度高出0.55℃。
　　对于实际工程分别对地温测试孔、换热孔兼地温测试孔和太阳能回灌孔进行了测试并获得了大量的实测数据。分析表明:同一钻孔不同深度处土壤温度随时间的变化趋势一致，不同埋深处土壤的温度不同，埋深越深温度越高;在同一深度下太阳能2＃回灌孔温度最高，换热孔22＃次之，地温监测孔33＃温度最低;太阳能季节性蓄热系统与传统地源热泵相比，它使得土壤温度升高，温度升高的幅度基本保持在0.8℃;同一时刻太阳能2＃的温度高于22＃的温度，且回灌钻孔的波动幅度要小于地温换热孔的波动幅度。
　　对模拟数据和实测数据分析对比之后发现:模拟数据在过渡季呈现出缓慢上升的趋势并且上升的趋势越来越缓，而实测数据过渡季土壤温度呈现下降的趋势，模拟数据与实测数据差别较大，说明所建立的地热换热器模型与实际换热器的匹配度较低。出现此现象的主要原因是地热换热器模型是一个简化的传热模型不能将埋管区域复杂的地质条件体现在模型里面，而实际的埋管区域地质里砂岩层占的比例最大，在砂砾层和砂土层中水渗流的速度大会出现显著的渗流现象，水径流对换热过程产生了很大的影响。
　　模型研究及实测数据表明:基于地埋管的太阳能季节性蓄热系统的地下温度要高于传统地源热泵的温度，模拟数据的温度高出0.55℃，实际工程测试数据的温度高出1℃，说明在传统的地埋管耦合热泵系统的基础上加入太阳能热的回灌之后土壤温度有明显的升高。将太阳能输入到地下增加了地下蓄热体存储的热量作为冬季建筑物空调末端的热源，能够降低地源热泵冬季提热多夏季放热少造成的冷热负荷不平衡问题，有利于提高可再生能源的利用率，同时有助于解决寒冷和严寒地区的冬季供暖问题，降低雾霾天气发生的几率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状、发展动态

1．2．1 太阳能季节性蓄热系统在国内外的研究现状

1．2．3 地埋管周围土壤温度场的研究现状

1．3 本课题的主要研究内容和目的

1．3．1 本课题的主要研究内容

1．3．2 课题研究的目的

第2章 地埋管地热换热器传热模型的理论研究

2．1 线源理论传热模型

2．2 有限长线热源模型

2．3 Hart和Couvillion方法

2．4 竖直U型埋管周围传热分析

第3章 动态模型的构建和地下土壤温度场的模拟分析

3．1 竖直埋管的传热机理

3．1．1 竖直地埋管数值传热模型

3．1．2 稳态温度场

3．1．3 热流叠加温度场

3．2 地源热泵系统和太阳能季节性蓄热方案

3．2．1 传统地源热泵系统方案

3．2．2 太阳能季节性蓄热系统方案

3．3 TRNSYS动态模型的建立

3．3．1 传统地源热泵系统的动态模型

3．3．2 太阳能季节性蓄热系统动态模型

3．4 传统地源热泵系统地下温度场的模拟

3．4．1 模拟结果分析

3．5 基于太阳能季节性蓄热系统地下温度场的模拟

3．5．1 模拟结果分析

3．6 两种系统运行一年的地温均值的比较

3．7 本章小结

第4章 太阳能季节性蓄热地下温度场测试及实验分析

4．1 实验系统简介

4．2 太阳能智能化控制系统技术要求

4．2．1 机房控制技术

4．2．2 空调末端控制技术

4．2．3 其他部分控制技术

4．3 实验数据分析

4．3．1 各钻孔不同深度处土壤温度随时间的变化

4．3．2 各钻孔在同一深度处土壤温度随时间的变化

4．4 本章小结

第5章 实验测试数据与模拟数据的对比

5．1 实验测试钻孔地温均值推算

5．2 换热孔数据的比较

5．3 太阳能回灌孔数据的比较

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

后记

攻读硕士学位期间发表的学术论文