地源热泵系统冷热负荷不平衡对土壤温度的影响

摘要

地埋管地源热泵系统依靠地埋管换热器从地下土壤中获取能量，虽然热泵机组的热源和热汇都是地埋管周围扩散半径范围内的土壤，但由于气候差异，地埋管换热器夏季累计向土壤的放热量与冬季累计从土壤的取热量往往不一致，长期取热量与放热量不平衡会造成土壤温度不断偏离初始温度，并导致地源热泵系统运行效率逐年下降，这个问题已经引起各界对地源热泵技术长期运行效果的担心和关注。
　　 本文首先分析了建筑物冷热负荷的特性，不同功能的建筑由于使用时间、人员密度、散热设备开启时间等因素不同，其负荷总量、负荷强度和负荷的持续时间都是不同的，在地源热泵系统中，建筑的负荷特性决定了地埋管换热器的工作时间、热量累积、换热强度，直接影响地埋管换热器的换热性能。
　　 其次，通过分析几种常用的地埋管换热器传热模型，系统地阐述土壤温度场的模拟方法，并采用DST模型建立了地埋管换热器传热数学模型，模拟计算地埋管换热器与土壤之间的传热问题，研究地埋管区域土壤温度的变化情况。
　　 然后，以学院实验室部分房间为对象，设计地源热泵系统、地埋管换热器和数据采集处理系统等，搭建了实验平台，实验研究负荷变化对土壤温度的影响，并验证了地埋管换热器传热模型模拟计算的准确性。
　　 最后，以间歇负荷特性的办公建筑和连续负荷特性的宾馆建筑为例，模拟计算这两类建筑的地源热泵系统在相同气候条件下的长期运行性能，研究地埋管换热器周围土壤温度的变化，通过分析得到:从全年土壤热平衡角度考虑，在主要考虑建筑负荷总量影响时，松江地区办公建筑地源热泵系统所能承受的冷热负荷不平衡率为26％，宾馆建筑所能承受的冷热负荷不平衡率为16％。
　　 可见，如果建筑冷热负荷不平衡超过土壤自身对热量的扩散能力，就会引起土壤热失衡，不同功能的建筑由于负荷特性不同，土壤所能承受的冷热负荷不平衡率是不同的，因此，在设计时有必要对建筑的负荷特性进行分析，以论证在项目当地的水文地质和气象条件下系统所能承受的冷热负荷不平衡率，否则要采取相应的优化措施。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 地源热泵系统的应用现状

1．2 土壤热平衡问题

1．3 地源热泵冷热平衡问题的研究现状

1．4 本文研究意义及主要内容

1．4．1 本文研究意义

1．4．2 主要研究内容

第二章 地源热泵系统冷热负荷的特性分析

2．1 不同功能建筑的负荷特性

2．1．1 办公建筑的负荷特性

2．1．2 宾馆建筑的负荷特性

2．2 地源热泵系统冷热负荷的动态特性分析

2．2．1 负荷总量的累积特性

2．2．2 负荷强度的变化特性

2．2．3 负荷的持续性

2．3 小结

第三章 地埋管换热器的换热特性研究

3．1 常用换热器模型分析

3．1．1 解析法模型

3．1．2 数值法模型

3．2 地埋管换热器传热数学模型的建立

3．3 小结

第四章 地源热泵系统实验平台的设计与搭建

4．1 建筑描述

4．2 建筑的冷、热负荷

4．3 热泵机组的选型

4．4 地埋管换热器设计

4．4．1 地埋管系统形式

4．4．2 土壤热物性参数

4．4．3 地埋管长度

4．5 水泵的选型

4．6 实验系统的主要设备汇总

4．7 实验平台介绍

4．8 实验系统的数据采集和处理系统

4．8．1 测量系统

4．8．2 数据采集和处理系统

4．8．3 误差分析

4．9 小结

第五章 地埋管周围土壤温度的模拟及实验验证

5．1 土壤温度的模拟

5．2 实验方案

5．3 实验结果与模拟结果对比分析

5．4 小结

第六章 不同功能建筑负荷特性下地源热泵系统土壤温度的模拟与分析

6．1 模拟流程

6．2 模拟方案设计

6．3 办公建筑负荷特性下地源热泵系统土壤温度的模拟与分析

6．4 宾馆建筑负荷特性下地源热泵系统土壤温度的模拟与分析

6．5 小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢