西北地区太阳能与热泵耦合的土壤跨季热响应研究

摘要

我国西北多数采暖地区的太阳能资源丰富,建筑冷负荷较小,建筑热负荷相对较大,适合应用太阳能与土壤源热泵耦合系统。一方面,太阳能蓄热可以有效改善土壤的热量失衡问题;另一方面,土壤源热泵可以补偿太阳能的间歇性和不稳定性缺点。本文基于耦合系统,建立土壤蓄、释热过程的三维非稳态传热模型,通过对土壤热响应进行研究,分析系统全年和多年运行过程中土壤温度场的变化规律,进而通过土壤热平衡分析,得到西北地区在满足土壤热平衡时最佳的钻孔累积蓄热量与累积释热量的比值,以及不同太阳能资源区适合应用耦合系统的最大建筑冷热负荷比值。
　　首先通过瞬态数值计算,分析系统运行全年和多年过程中土壤的热响应特性;研究在不同蓄热热流和不同热流密度下的土壤热响应特性;选取土壤温度场的代表温度,用其评价土壤温度场的整体恢复情况;然后对土壤热平衡的影响因素进行综合分析,分别得出建筑冷热负荷比值、钻孔累积蓄热量与累积释热量的比值的表达式;根据我国不同的建筑热工分区和太阳能资源分布情况,选取西北地区9个典型城市,即西安、榆林、延安、哈密、乌鲁木齐、兰州、酒泉、西宁和银川,针对各典型城市不同的建筑冷热负荷比和太阳能保证率,以土壤温度恢复率为衡量指标,确定系统运行模式中最佳的钻孔累积蓄热量与累积释热量的比值,以满足全年土壤温度场的热平衡的要求;同时基于土壤热平衡,确定西北五省不同太阳能资源区适合应用太阳能与土壤源热泵耦合系统的最大建筑冷热负荷比值。得出以下主要结论:
　　(1)在全年夏、秋、冬、春季四个阶段中,钻孔壁温均呈现出前10天内波动最大的趋势。在系统运行10年的过程中,土壤沿径向的温度差异始终很小;随着系统运行时间的增加,土壤沿轴向的温度差异逐渐增大,但是土壤温度升高速率不大。
　　(2)对于钻孔50m深的热泵土壤换热器系统,深度约20m处土壤的平均温度可近似代表整个土壤温度场全年恢复的平均水平。
　　(3)通过土壤热平衡分析得到,夏、冬季钻孔热流密度的比值取决于建筑的冷热负荷比,土壤源热泵系统的制冷能效比、制热性能系数和太阳能保证率。
　　(4)钻孔累积蓄热量与累积释热量的比值决定了土壤温度场的恢复程度,当其值为0.88时,可基本满足西北各典型城市土壤全年热平衡的要求。
　　(5)在土壤热平衡的基础上,计算获得了该耦合系统适合在西北不同太阳能资源区应用的最大建筑冷热负荷比值。西北五省应用该耦合系统的适合程度从高到低排序依次为:青海,新疆,甘肃,宁夏,陕西。
　　本文的主要创新点:结合耦合系统,重新给定了土壤温度恢复率的公式;通过瞬态数值计算,选取了土壤温度场的代表温度;建立了影响土壤热平衡的各主要因素的关系式,得到了最佳的钻孔累积蓄热量与累积释热量的比值。

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主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的及意义

1.4 主要研究内容

2 土壤热响应过程

2.1 钻孔与土壤传热过程

2.2 土壤蓄、释热过程传热模型

2.3 模型的数值求解

2.4 本章小结

3 土壤热响应特性分析

3.1 土壤全年热响应特性

3.2 不同蓄热热流土壤热响应特性

3.3 不同热流密度土壤热响应特性

3.4 系统运行多年土壤热响应特性

3.5 本章小结

4 西北地区系统土壤热平衡分析

4.1 土壤热平衡影响因素

4.2 系统方案优化

4.3 本章小结

5 结论

5.1 主要研究结论

5.2 课题展望

致谢

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