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北京地区太阳能—土壤源复合式热泵系统应用特性研究

作　者: 潘玉亮
导　师: 徐伟
学　校: 中国建筑科学研究院
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 太阳能土壤源热泵土壤平均温度 TRNSYS
分类号: TU831
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

地源热泵技术作为一种利用可再生能源的暖通空调新技术,是建筑节能领域国际上通用的高效节能技术。目前,国内外关于地源热泵技术方面研究的热门课题之一是同其他冷热源相结合的复合式系统的研究。但是,由于地域条件,系统造价、气候特点、集成技术特点不同等原因,国外的研究结论不一定适用于中国的具体国情。所以,本课题研究以太阳能为辅助热源的复合式系统在北方寒冷气候条件下的适应性和经济性,以期为实际工程设计提供参考。本文从土壤源和太阳能作为复合式热源的角度出发,主要做了以下研究工作：①选取北京地区单体低密度建筑为基准建筑,使用TRNSYS软件建模,进行全年逐时负荷模拟；②根据规范以及实际情况,进行了土壤源热泵系统、太阳能系统的设计并对一些关键参数的选取进行了讨论；③以TRNSYS软件为平台,分别建立了土壤源热泵系统、混合式系统两种运行模式的计算模型；④选取不同钻孔深度,选定几个具有代表性的参数,对比分析复合式系统相对于单独埋管系统在系统性能上的提升作用,并对最优运行模式进行了选取；⑤运用优化分析软件,以全寿命周期成本最小为目标函数,选用胡克-捷夫优化算法,对单独埋管系统、混合式系统的经济性进行了优化分析；⑥对土壤源热泵系统地下温度场变化趋势和规律进行了分析和探讨。本文的主要结论：①在土壤源热泵系统供暖季运行工况不佳时,比如地埋管尺寸不够的情况下,混合式系统可以明显改善系统的运行性能；②运行模式二的综合效果最优,如果单纯的在冬季供暖情况下使用太阳能作为辅助热源,此运行模式可作为实际工程设计与运行的优选方案；③地下换热器系统的设计要综合考虑全年进出口温度和地埋管造价的影响；④土壤平均温度可作为预测系统运行状况的一个优选参数。在进行土壤源热泵系统设计时,运行期末允许的地温下降幅度与地下换热器的钻孔费用有关,在本文的研究条件下,此值约为2.0～2.4℃。否则,应增加地下换热器的尺寸或增设辅助热源；⑤按照供暖季补热的原则来选择设计太阳能系统,并非经济。应该考虑季节性蓄热等措施减少选取的集热器面积,同时在非采暖季通过提供生活热水等途径,最大限度的利用太阳能系统；⑥应用混合式系统的条件应该是在各种原因导致的地下换热器尺寸不够时。限于条件,本论文只对北京地区太阳能-土壤源热泵系统的运行状况进行了模拟研究,所得结果还有待于通过实验来验证。本论文研究的结果可以为太阳能-土壤源热泵系统的实际设计、运行及管理提供参考。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 课题研究的背景和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-17
    1.2.1 土壤源热泵系统  11-13
    1.2.2 太阳能建筑应用  13-15
    1.2.3 太阳能-土壤源热泵结合  15-17
  1.3 课题的主要研究内容  17-19
第2章计算软件和数学模型  19-39
  2.1 计算软件  19-20
  2.2 太阳能集热器模型  20-25
    2.2.1 术语  21-22
    2.2.2 数学描述  22-23
    2.2.3 对理想效率曲线的修正  23-24
    2.2.4 外部数据文件  24-25
  2.3 地埋管模型  25-35
    2.3.1 传热过程  26-27
    2.3.2 局部传热过程  27-29
    2.3.3 数值计算过程  29-35
  2.4 水源热泵机组模型  35-38
  2.5 本章小结  38-39
第3章太阳能-土壤源热泵系统的设计  39-52
  3.1 太阳能-土壤源热泵联合运行系统的提出  39-42
  3.2 基准建筑的选取以及负荷计算  42-45
  3.3 土壤源热泵系统的设计  45-49
    3.3.1 热泵机组和循环水泵  45-46
    3.3.2 一些物性参数的确定  46-47
    3.3.3 地埋管换热系统设计  47-49
  3.4 太阳能系统的设计  49-50
    3.4.1 太阳能集热器面积的确定  49
    3.4.2 贮热水箱容积的确定  49-50
    3.4.3 太阳能系统控制策略  50
  3.5 本章小结  50-52
第4章太阳能-土壤源热泵系统联合运行特性的研究  52-69
  4.1 研究的思路  52
  4.2 分析研究过程  52-59
    4.2.1 热泵机组的进水温度  52-54
    4.2.2 机组COP  54-56
    4.2.3 年节电量  56-57
    4.2.4 地下取热量  57-58
    4.2.5 供暖季集热量  58-59
  4.3 系统的优化分析  59-67
    4.3.1 单独埋管系统的优化  62-64
    4.3.2 混合式系统的优化  64-67
  4.4 本章小结  67-69
第5章土壤平均温度的状况分析及变化规律  69-82
  5.1 土壤温度场变化趋势分析  69-72
  5.2 土壤温度场变化规律分析  72-80
    5.2.1 地下换热器吸排热量平衡系统  72-75
    5.2.2 地下换热器吸排热量不平衡系统  75-78
    5.2.3 计算结果的讨论  78-80
  5.3 本章小结  80-82
第6章总结与展望  82-85
  6.1 工作总结  82-83
  6.2 展望  83-85
参考文献  85-87
致谢  87

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