钻孔深度对地源热泵系统性能影响及地埋管结构优化分析

摘要

建筑领域能耗在总能耗中大约占有1/3比例，转变建筑领域的发展模式，将可再生能源与建筑领域相结合，已经成为发展节能建筑的必然趋势。与其他可再生能源相比，浅层地热能具有资源储量丰富、能源供应稳定、开发技术相对成熟、开发成本相对低廉等众多优势，理应得到大力推广。但在地源热泵系统实际工程应用中，单U型地埋管所需地表面积约为建筑空调面积的1/5~1/3，同时地源热泵的初投资较高，只钻孔费用就约占系统初投资的1/3。故如何更有效的利用地表面积、强化地埋管的换热性能是地源热泵技术发展的核心课题。
　　本文基于天津市气象数据，利用TRNSYS计算出建筑物逐时负荷并搭建了地源热泵系统仿真模型，分析了不同钻孔深度下的钻孔数量、热泵机组及系统性能系数、运行能耗和占地面积等。研究给出了基于建筑物负荷，结合单孔循环水流量、每米钻孔换热量通过迭代计算钻孔数量的方法，当钻孔深度高于300m时，再增加钻孔深度并不能有效减少钻孔数量，故钻孔深度为300m时，每米钻孔换热量最高；系统连续运行十年，土壤平均温度随着钻孔深度增加先增加后减小，增加钻孔深度可有效缓解土壤平均温度的增加；冬季热泵机组COP与冬季系统COP均随钻孔深度增加先减小后增大，钻孔深度为60m时冬季系统COP最大；夏季机组 COP与夏季系统 COP均随钻孔深度先增加后减小再增加，钻孔深度夏季系统COP60m时最小，200m时最大；对系统冬夏季能耗及总能耗进行分析，系统冬季运行能耗随钻孔深度增加而增加，钻孔深度100m最低；系统夏季运行能耗随钻孔深度增加先增大后减小，钻孔深度100m能耗最低；系统运行总能耗基本随钻孔深度增加而增加，钻孔深度100m时，最低，但每年能耗逐年降低；地埋管换热器初投资随钻孔深度增加而急剧增加，钻孔深度为150或200m时为100m的1.5倍左右，且占地面积随钻孔深度增加而降低，钻孔深度为150或200m时为100m的0.5倍左右，综合考虑运行能耗和初投资，在地表面积允许时，优先选用钻孔深度为100m，但当地表面积有限时，可将钻孔深度延伸至150或200m。并将钻孔深度与占地面积、系统运行费用和地埋管换热器初投资的关系拟合为公式。
　　另外，针对地埋管结构优化问题，对螺旋形地埋管换热器与传统地埋管换热器进行了模拟和实验对比分析。我们得出如下结论：由模拟和实验可知，在不同流量下入口水温较高时，即夏季工况下，螺旋形地埋管管内换热均得到强化，单位时间单位质量水的放热量均高于光管，平均提高约13％左右，但螺旋形地埋管换热器每米钻孔换热量不占优势；当入口温度较低时，螺旋形地埋管换热器每米钻孔换热量均高于光管，且螺旋管内换热效果随入口温度的降低而增强，故螺旋管换热器更适用于冬季取热工况；对螺旋形地埋管换热器进行了连续运行和间歇运行工况的对比实验，间歇运行时，平均放热量比连续运行约提高15.7%，故优先选择间歇运行；对螺旋管结构进行分析，给出了优化建议。

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第一章 绪论

1.1地源热泵系统的研究背景

1.2地源热泵的研究历史及现状

1.3地埋管换热器的影响参数

1.4地源热泵系统存在的问题

1.5本课题的研究内容及意义

第二章 钻孔深度对地源热泵系统性能的影响

2.1 TRNSYS 软件介绍

2.2地源热泵系统仿真模型的建立

2.3建筑物逐时负荷计算

2.4地源热泵系统设备选型

2.5系统各仿真部件间的连接

2.6地源热泵系统模拟结果分析

2.7本章小结

第三章 螺旋形地埋管换热性能的对比模拟与实验研究

3.1地埋管换热器的模拟研究

3.2地埋管换热器的实验研究

3.3优化建议

3.4本章小结

第四章 结论和展望

4.1结论

4.2今后研究工作的建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢