严寒地区太阳能-土壤耦合热泵季节性土壤蓄热特性研究

【摘要】： 太阳能-土壤耦合热泵(Solar-Ground Coupled Heat Pump, SGCHP)系统在用于严寒地区供暖时,由于建筑物的热负荷很大,热泵从土壤中的取热量也很大,系统常年运行地下土壤温度场难以得到恢复,使得热泵的供暖性能系数(Coefficient of Performance, COP)逐年下降。为此本文提出利用系统中原有装置收集非采暖季节的太阳能并通过土壤换热器储存到自然的土壤中,冬季再利用热泵将热量提取出来为建筑物供暖。这种季节性的土壤蓄热,不仅可以恢复和提高土壤温度,而且还能将非采暖季节丰富的太阳能转移到冬季使用,有效的增加了太阳能作为可再生能源热利用的范围,具有很大的节能意义。 为了系统准确的了解该蓄热过程的特性,本文首先建立了SGCHP供暖实验系统,监测了太阳能季节性土壤蓄热以及系统冬季供暖的性能,并对地下土壤温度场的变化作了较为系统的分析。与传统的SGCHP系统不同的是,增加了季节性土壤蓄热后,地下垂直U型埋管既是取热装置也是蓄热装置,具有双重功能,因此土壤换热器是蓄热系统中的一个关键部件,是研究该技术的核心和应用的基础。基于此,本文利用FLUENT建立了由多个垂直U型埋管组成的群井土壤换热器的三维非稳态传热模型,并通过FLUENT软件提供的扩展功能——用户自定义函数(User-Difined Function, UDF)编写太阳能集热器等其它设备模型程序动态加载到群井土壤换热器模型中,实现了对太阳能季节性土壤蓄热过程的动态仿真。此外,为研究地下土壤蓄、取热的热平衡问题,将蓄热系统仿真模型扩展到全年供暖系统仿真模型。通过模拟结果与实测数据的比较,验证了本文所建数学模型的可靠性和正确性。 通过仿真模拟,从理论上分析了埋管间距、埋管深度、土壤换热器所在位置地表有无建筑以及土壤作为蓄热介质本身参数对土壤蓄热特性的影响,并分析了基于负荷特性下太阳能集热器的倾角、蓄热启动温度对土壤蓄热特性的影响。通过监测蓄热运行参数和土壤温度场的变化,对蓄热指标:蓄热温差、蓄热运行时间、月蓄热量和总蓄热量、蓄热能效比、蓄热功率、单位埋深蓄热量等进行了理论研究。 最后,从蓄热后土壤的取热特性以及温变特性出发,主要包括土壤取热量、单位埋深取热量、蒸发器进出口温度、土壤温度场以及热泵、系统供暖和系统全年COP,探讨了整个供暖系统在常年运行条件下土壤的蓄热特性和取热特性的逐年变化以及二者的相互影响。并通过观察土壤温度场的逐年变化分析了土壤的热堆积效应和热平衡状况。研究结果表明,在运行控制条件不变的情况下,土壤温度逐年升高,蓄热效率逐年降低;系统运行的最初3年两者变化较快,随后趋势逐渐变缓;热泵COP逐年升高,但升高的幅度不大,基本维持在较高的水平。因此,在系统运行3年以后可适当减少蓄热量,使土壤热量达到平衡。该部分研究可为该系统的长期运行和推广提供指导。 SGCHP系统结合季节性土壤蓄热,克服了太阳能热利用在季节性上不匹配的缺点,扩大了太阳能热利用的深度和广度。通过太阳能季节性土壤蓄热,热泵低温热源的温度得到了提升,从而有效地提高了热泵和供暖系统的COP,节能效果十分显著。在目前环境问题日益严重,国家大力发展低碳产业的大环境下,该系统必将会得到长足的发展和广泛的应用。本文所作的研究工作可以为今后季节性土壤蓄热SGCHP系统的应用提供理论基础和技术支持。 【关键词】：太阳能-土壤耦合热泵 季节性土壤蓄热 群井土壤换热器 土壤蓄热特性 动态仿真 土壤热平衡
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU831.6
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 物理量名称及符号表9-19
• 第1章 绪论19-32
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义19-23
• 1.1.1 课题背景19-21
• 1.1.2 研究的目的及意义21-23
• 1.2 国内外研究现状及分析23-31
• 1.2.1 太阳能-土壤耦合热泵的研究现状及分析23-25
• 1.2.2 太阳能季节性土壤蓄热的研究现状及分析25-27
• 1.2.3 垂直U型管土壤换热器模型的研究现状及分析27-29
• 1.2.4 CFD软件在相关领域中应用的研究现状及分析29-31
• 1.3 本文的主要工作31-32
• 第2章 SGCHP系统土壤蓄热与取热实验研究32-55
• 2.1 引言32
• 2.2 实验系统介绍32-37
• 2.2.1 太阳能集热系统33-34
• 2.2.2 土壤换热系统34-36
• 2.2.3 热泵机组36
• 2.2.4 室内末端供暖装置36-37
• 2.2.5 板式换热器与循环水泵37
• 2.3 实验系统的工作原理37-38
• 2.4 实验系统的运行模式38-40
• 2.5 测量系统40-42
• 2.6 实验工作的进行42
• 2.7 实验结果的计算42-44
• 2.8 实验结果的分析44-54
• 2.8.1 蓄热特性分析45-49
• 2.8.2 取热特性分析49-52
• 2.8.3 土壤热平衡分析52-54
• 2.9 本章小结54-55
• 第3章 太阳能季节性土壤蓄热的数理模型55-77
• 3.1 引言55
• 3.2 群井土壤换热器的传热过程分析55-56
• 3.3 负荷特性下群井土壤换热器的传热机制56-58
• 3.4 群井土壤换热器的数理模型58-71
• 3.4.1 群井土壤换热器的物理模型58-60
• 3.4.2 数学模型的建立60-64
• 3.4.3 初始及边界条件64-66
• 3.4.4 模型的数值求解66-71
• 3.5 太阳能集热系统的数学模型71-75
• 3.5.1 太阳辐射数学模型71-73
• 3.5.2 太阳能集热器数学模型73-75
• 3.6 板式换热器的数学模型75-76
• 3.7 本章小结76-77
• 第4章 太阳能季节性土壤蓄热的仿真实现及实验验证77-91
• 4.1 引言77
• 4.2 用户自定义函数77-82
• 4.2.1 简介77-78
• 4.2.2 UDF的功能78-79
• 4.2.3 UDF的编写要求79
• 4.2.4 UDF与FLUENT 求解器的链接方式79-80
• 4.2.5 UDF的调用流程80-82
• 4.3 太阳能季节性土壤蓄热的仿真实现82-84
• 4.3.1 DEFINE宏82-83
• 4.3.2 仿真的实现83-84
• 4.4 仿真参数设定84-86
• 4.5 仿真结果与实验结果的对比分析86-90
• 4.6 本章小结90-91
• 第5章 土壤蓄热特性的影响因素分析91-122
• 5.1 引言91
• 5.2 实验条件下土壤的蓄热特性91-97
• 5.3 土壤参数对土壤蓄热特性的影响97-106
• 5.3.1 土壤初始温度的影响97-101
• 5.3.2 土壤热物性的影响101-106
• 5.4 土壤换热器结构对土壤蓄热特性的影响106-110
• 5.4.1 U型埋管间距的影响106-109
• 5.4.2 U型埋管埋深的影响109-110
• 5.5 土壤换热器位置不同对土壤蓄热特性的影响110-113
• 5.6 蓄热负荷对土壤蓄热特性的影响113-120
• 5.6.1 集热器倾角的影响113-116
• 5.6.2 蓄热启动温度的影响116-120
• 5.7 本章小结120-122
• 第6章 系统常年运行土壤热平衡分析122-136
• 6.1 引言122
• 6.2 供暖系统的数学模型122-126
• 6.2.1 热泵机组的数学模型122-123
• 6.2.2 辐射地板的数学模型123-124
• 6.2.3 供暖房间的数学模型124-126
• 6.3 系统运行第一年土壤热平衡分析126-129
• 6.4 系统常年运行土壤热平衡分析129-135
• 6.5 本章小结135-136
• 结论136-139
• 参考文献139-148
• 攻读学位期间发表的学术论文148-150
• 致谢150-151
• 个人简历151

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