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季节性蓄热太阳能—土壤耦合热泵系统运行特性及优化

作　者: 王潇
导　师: 郑茂余
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 供热、供燃气、通风与空调工程
关键词: 季节性蓄热太阳能-土壤耦合热泵运行特性系统配置运行方式优化
分类号: TU831.6
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

土壤耦合热泵在严寒地区实际应用中,由于热泵从土壤中的取热量很大,系统长年运行土壤温度将逐年下降,热泵的供暖性能也将逐年降低,最终导致热泵出力不足。为此,本文基于太阳能移季利用的思想,提出将太阳能、土壤蓄热和土壤耦合热泵技术有机融合的季节性蓄热太阳能-土壤耦合热泵(SGCHPSS)系统,将非采暖季丰富的太阳能转移至冬季使用,同时解决上述问题,从而为严寒地区供暖提供新方法。为了了解该系统在严寒地区的实际应用效果和供暖性能,建立了SGCHPSS实验平台,初步给出系统的运行方式和控制方法并进行全年实验研究。通过对太阳能土壤蓄热运行特性、系统供暖运行特性和土壤全年温变特性的实测和分析得出:太阳能季节性土壤蓄热能够有效提高土壤温度,热泵的COP达到4.29,系统全年的性能系数达到6.14,冬季供热量中约87%来自于太阳能。考虑到系统的复杂性和时间的限制,对系统的进一步研究不能一一通过实验的方法实现,因此,在实验的基础上建立了该系统中各设备的数学模型,并结合实验中给定的运行方式和控制方法实现系统的动态仿真。通过将系统模拟计算结果与实验结果进行对比,验证了系统模型的正确性。为了减少计算量,忽略了土壤换热器管间的热干扰,将多管土壤换热器模型简化为单管土壤换热器模型。为了验证简化的合理性,将单管模型与多管模型进行了对比验证,结果表明:通过单管土壤换热器模型计算得到的单个钻井蓄热量和取热量与通过多管土壤换热器模型计算得到的单个钻井蓄热量和取热量的最大相对误差分别为5.9%和7.9%,均小于10%,在允许的范围内。首先,利用建立的系统数学模型对SGCHPSS系统进行变参数模拟研究,详细分析了改变系统配置参数——太阳能集热器面积、土壤换热器埋管深度和热泵制热量对系统运行特性的影响。模拟结果表明:增加集热器面积和热泵容量都有利于提高热泵和系统的供暖性能,减少运行费用,而土壤换热器埋管深度并不是越深越好,当埋管深度增加至一定程度时热泵和系统的供暖性能提升的幅度很小,同时会使运行费用增加。其次,分别对有季节性蓄热和无季节性蓄热情况下系统运行的可持续性进行了分析,得出在严寒地区长年利用土壤耦合热泵为建筑物供暖会出现热泵出力不足,耗电量不断增加,而室温却达不到要求的现象;而SGCHPSS系统可以有效提高土壤温度,使热泵的供暖性能逐年提升,系统的耗电量也逐年减少,同时可以使土壤保持以年为周期的热平衡。然后,针对实验中运行方式存在的问题,提出三种新的可行的运行方式,并与实验运行方式进行了对比分析,得出通过改变运行方式可以提升系统的供暖性能,改变系统中各设备的能量输出比例;对供暖期进行分阶段改变运行方式可以在节约电能的同时改善供暖效果。最后,给出系统可能的系统配置和运行方式,利用动态规划法对不同系统配置下的运行方式进行了优化,得出不同系统配置下的供暖期最优运行方式,再以系统费用年值为目标函数对系统配置进行了优化,从而得到在实验条件下的系统最优配置和最优运行方式。该优化方法可以为SGCHPSS系统的工程应用提供指导。通过本文的研究,证明了SGCHPSS系统具有很大的节能优势和较好的供暖性能,并为系统的优化设计和运行提供理论基础和技术支持。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
物理量名称及符号表  9-19
第1章绪论  19-35
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  19-24
    1.1.1 课题背景  19-21
    1.1.2 研究的目的及意义  21-24
  1.2 国内外研究现状  24-33
    1.2.1 土壤耦合热泵的研究现状  24-28
    1.2.2 太阳能与土壤耦合热泵相结合的研究现状  28-30
    1.2.3 太阳能季节性蓄热的研究现状  30-33
  1.3 国内外研究现状总结和问题的提出  33
  1.4 本文的主要工作  33-35
第2章 SGCHPSS系统实验与分析  35-64
  2.1 引言  35
  2.2 实验平台  35
  2.3 系统组成  35-40
  2.4 系统工作原理  40
  2.5 运行与控制  40-43
    2.5.1 实验系统运行方式  40-42
    2.5.2 自动控制  42-43
  2.6 仪器仪表的选择与数据测量  43-45
  2.7 实验数据处理  45-50
    2.7.1 实验参数计算  45-48
    2.7.2 实验误差分析  48-50
  2.8 系统运行特性分析  50-62
    2.8.1 非采暖季太阳能土壤蓄热运行特性  50-53
    2.8.2 采暖季太阳能-土壤耦合热泵供暖运行特性  53-59
    2.8.3 土壤全年温变特性分析  59-62
  2.9 本章小结  62-64
第3章 SGCHPSS系统数理模型及验证  64-97
  3.1 引言  64
  3.2 SGCHPSS系统数理模型的建立  64-84
    3.2.1 太阳能集热系统数学模型  64-68
    3.2.2 单管土壤换热器数学模型  68-74
    3.2.3 多管土壤换热器数学模型  74
    3.2.4 辐射地板数学模型  74-81
    3.2.5 热泵机组数学模型  81-82
    3.2.6 室内温度数学模型  82-83
    3.2.7 板式换热器数学模型  83-84
  3.3 SGCHPSS系统仿真实现  84-86
  3.4 系统模型的实验验证  86-94
  3.5 土壤换热器单管模型与多管模型的对比验证  94-96
  3.6 本章小结  96-97
第4章系统配置参数对运行特性的影响  97-119
  4.1 引言  97
  4.2 集热器面积对系统运行特性的影响  97-104
  4.3 土壤换热器埋管深度对系统运行特性的影响  104-113
  4.4 热泵容量对系统运行特性的影响  113-118
  4.5 本章小结  118-119
第5章 SGCHPSS系统变运行方式动态特性研究  119-138
  5.1 引言  119
  5.2 有无蓄热情况下系统运行的可持续性分析  119-128
    5.2.1 无蓄热情况下系统长年运行特性  119-123
    5.2.2 有蓄热情况下系统长年运行特性  123-128
  5.3 SGCHPSS系统运行方式拓展  128-130
  5.4 不同运行方式下系统动态运行特性分析  130-137
  5.5 本章小结  137-138
第6章 SGCHPSS系统配置和运行方式优化研究  138-149
  6.1 引言  138
  6.2 动态规划法  138-140
    6.2.1 简介  138-139
    6.2.2 动态规划的基本模型  139-140
  6.3 阶段划分及运行方式确定  140-143
    6.3.1 阶段划分  140-141
    6.3.2 运行方式确定  141-143
  6.4 优化目标函数、优化变量及约束条件  143
  6.5 系统优化计算过程  143-144
  6.6 系统优化结果分析  144-147
  6.7 本章小结  147-149
结论  149-152
参考文献  152-161
攻读学位期间发表的学术论文  161-162
致谢  162-164
个人简历  164-165

季节性蓄热太阳能—土壤耦合热泵系统运行特性及优化

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