嚴寒地區(qū)太陽能—土壤耦合熱泵季節(jié)性土壤蓄熱特性研究

【摘要】： 太陽能-土壤耦合熱泵(Solar-Ground Coupled Heat Pump, SGCHP)系統(tǒng)在用于嚴寒地區(qū)供暖時,由于建筑物的熱負荷很大,熱泵從土壤中的取熱量也很大,系統(tǒng)常年運行地下土壤溫度場難以得到恢復,使得熱泵的供暖性能系數(shù)(Coefficient of Performance, COP)逐年下降。為此本文提出利用系統(tǒng)中原有裝置收集非采暖季節(jié)的太陽能并通過土壤換熱器儲存到自然的土壤中,冬季再利用熱泵將熱量提取出來為建筑物供暖。這種季節(jié)性的土壤蓄熱,不僅可以恢復和提高土壤溫度,而且還能將非采暖季節(jié)豐富的太陽能轉(zhuǎn)移到冬季使用,有效的增加了太陽能作為可再生能源熱利用的范圍,具有很大的節(jié)能意義。 為了系統(tǒng)準確的了解該蓄熱過程的特性,本文首先建立了SGCHP供暖實驗系統(tǒng),監(jiān)測了太陽能季節(jié)性土壤蓄熱以及系統(tǒng)冬季供暖的性能,并對地下土壤溫度場的變化作了較為系統(tǒng)的分析。與傳統(tǒng)的SGCHP系統(tǒng)不同的是,增加了季節(jié)性土壤蓄熱后,地下垂直U型埋管既是取熱裝置也是蓄熱裝置,具有雙重功能,因此土壤換熱器是蓄熱系統(tǒng)中的一個關鍵部件,是研究該技術的核心和應用的基礎。基于此,本文利用FLUENT建立了由多個垂直U型埋管組成的群井土壤換熱器的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,并通過FLUENT軟件提供的擴展功能——用戶自定義函數(shù)(User-Difined Function, UDF)編寫太陽能集熱器等其它設備模型程序動態(tài)加載到群井土壤換熱器模型中,實現(xiàn)了對太陽能季節(jié)性土壤蓄熱過程的動態(tài)仿真。此外,為研究地下土壤蓄、取熱的熱平衡問題,將蓄熱系統(tǒng)仿真模型擴展到全年供暖系統(tǒng)仿真模型。通過模擬結果與實測數(shù)據(jù)的比較,驗證了本文所建數(shù)學模型的可靠性和正確性。 通過仿真模擬,從理論上分析了埋管間距、埋管深度、土壤換熱器所在位置地表有無建筑以及土壤作為蓄熱介質(zhì)本身參數(shù)對土壤蓄熱特性的影響,并分析了基于負荷特性下太陽能集熱器的傾角、蓄熱啟動溫度對土壤蓄熱特性的影響。通過監(jiān)測蓄熱運行參數(shù)和土壤溫度場的變化,對蓄熱指標:蓄熱溫差、蓄熱運行時間、月蓄熱量和總蓄熱量、蓄熱能效比、蓄熱功率、單位埋深蓄熱量等進行了理論研究。 最后,從蓄熱后土壤的取熱特性以及溫變特性出發(fā),主要包括土壤取熱量、單位埋深取熱量、蒸發(fā)器進出口溫度、土壤溫度場以及熱泵、系統(tǒng)供暖和系統(tǒng)全年COP,探討了整個供暖系統(tǒng)在常年運行條件下土壤的蓄熱特性和取熱特性的逐年變化以及二者的相互影響。并通過觀察土壤溫度場的逐年變化分析了土壤的熱堆積效應和熱平衡狀況。研究結果表明,在運行控制條件不變的情況下,土壤溫度逐年升高,蓄熱效率逐年降低;系統(tǒng)運行的最初3年兩者變化較快,隨后趨勢逐漸變緩;熱泵COP逐年升高,但升高的幅度不大,基本維持在較高的水平。因此,在系統(tǒng)運行3年以后可適當減少蓄熱量,使土壤熱量達到平衡。該部分研究可為該系統(tǒng)的長期運行和推廣提供指導。 SGCHP系統(tǒng)結合季節(jié)性土壤蓄熱,克服了太陽能熱利用在季節(jié)性上不匹配的缺點,擴大了太陽能熱利用的深度和廣度。通過太陽能季節(jié)性土壤蓄熱,熱泵低溫熱源的溫度得到了提升,從而有效地提高了熱泵和供暖系統(tǒng)的COP,節(jié)能效果十分顯著。在目前環(huán)境問題日益嚴重,國家大力發(fā)展低碳產(chǎn)業(yè)的大環(huán)境下,該系統(tǒng)必將會得到長足的發(fā)展和廣泛的應用。本文所作的研究工作可以為今后季節(jié)性土壤蓄熱SGCHP系統(tǒng)的應用提供理論基礎和技術支持。 【關鍵詞】：太陽能-土壤耦合熱泵 季節(jié)性土壤蓄熱 群井土壤換熱器 土壤蓄熱特性 動態(tài)仿真 土壤熱平衡
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TU831.6
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 物理量名稱及符號表8-18
• 第1章 緒論18-31
• 1.1 課題來源及研究的目的和意義18-22
• 1.1.1 課題背景18-20
• 1.1.2 研究的目的及意義20-22
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析22-30
• 1.2.1 太陽能-土壤耦合熱泵的研究現(xiàn)狀及分析22-24
• 1.2.2 太陽能季節(jié)性土壤蓄熱的研究現(xiàn)狀及分析24-26
• 1.2.3 垂直U型管土壤換熱器模型的研究現(xiàn)狀及分析26-28
• 1.2.4 CFD軟件在相關領域中應用的研究現(xiàn)狀及分析28-30
• 1.3 本文的主要工作30-31
• 第2章 SGCHP系統(tǒng)土壤蓄熱與取熱實驗研究31-54
• 2.1 引言31
• 2.2 實驗系統(tǒng)介紹31-36
• 2.2.1 太陽能集熱系統(tǒng)32-33
• 2.2.2 土壤換熱系統(tǒng)33-35
• 2.2.3 熱泵機組35
• 2.2.4 室內(nèi)末端供暖裝置35-36
• 2.2.5 板式換熱器與循環(huán)水泵36
• 2.3 實驗系統(tǒng)的工作原理36-37
• 2.4 實驗系統(tǒng)的運行模式37-39
• 2.5 測量系統(tǒng)39-41
• 2.6 實驗工作的進行41
• 2.7 實驗結果的計算41-43
• 2.8 實驗結果的分析43-53
• 2.8.1 蓄熱特性分析44-48
• 2.8.2 取熱特性分析48-51
• 2.8.3 土壤熱平衡分析51-53
• 2.9 本章小結53-54
• 第3章 太陽能季節(jié)性土壤蓄熱的數(shù)理模型54-76
• 3.1 引言54
• 3.2 群井土壤換熱器的傳熱過程分析54-55
• 3.3 負荷特性下群井土壤換熱器的傳熱機制55-57
• 3.4 群井土壤換熱器的數(shù)理模型57-70
• 3.4.1 群井土壤換熱器的物理模型57-59
• 3.4.2 數(shù)學模型的建立59-63
• 3.4.3 初始及邊界條件63-65
• 3.4.4 模型的數(shù)值求解65-70
• 3.5 太陽能集熱系統(tǒng)的數(shù)學模型70-74
• 3.5.1 太陽輻射數(shù)學模型70-72
• 3.5.2 太陽能集熱器數(shù)學模型72-74
• 3.6 板式換熱器的數(shù)學模型74-75
• 3.7 本章小結75-76
• 第4章 太陽能季節(jié)性土壤蓄熱的仿真實現(xiàn)及實驗驗證76-90
• 4.1 引言76
• 4.2 用戶自定義函數(shù)76-81
• 4.2.1 簡介76-77
• 4.2.2 UDF的功能77-78
• 4.2.3 UDF的編寫要求78
• 4.2.4 UDF與FLUENT 求解器的鏈接方式78-79
• 4.2.5 UDF的調(diào)用流程79-81
• 4.3 太陽能季節(jié)性土壤蓄熱的仿真實現(xiàn)81-83
• 4.3.1 DEFINE宏81-82
• 4.3.2 仿真的實現(xiàn)82-83
• 4.4 仿真參數(shù)設定83-85
• 4.5 仿真結果與實驗結果的對比分析85-89
• 4.6 本章小結89-90
• 第5章 土壤蓄熱特性的影響因素分析90-121
• 5.1 引言90
• 5.2 實驗條件下土壤的蓄熱特性90-96
• 5.3 土壤參數(shù)對土壤蓄熱特性的影響96-105
• 5.3.1 土壤初始溫度的影響96-100
• 5.3.2 土壤熱物性的影響100-105
• 5.4 土壤換熱器結構對土壤蓄熱特性的影響105-109
• 5.4.1 U型埋管間距的影響105-108
• 5.4.2 U型埋管埋深的影響108-109
• 5.5 土壤換熱器位置不同對土壤蓄熱特性的影響109-112
• 5.6 蓄熱負荷對土壤蓄熱特性的影響112-119
• 5.6.1 集熱器傾角的影響112-115
• 5.6.2 蓄熱啟動溫度的影響115-119
• 5.7 本章小結119-121
• 第6章 系統(tǒng)常年運行土壤熱平衡分析121-135
• 6.1 引言121
• 6.2 供暖系統(tǒng)的數(shù)學模型121-125
• 6.2.1 熱泵機組的數(shù)學模型121-122
• 6.2.2 輻射地板的數(shù)學模型122-123
• 6.2.3 供暖房間的數(shù)學模型123-125
• 6.3 系統(tǒng)運行第一年土壤熱平衡分析125-128
• 6.4 系統(tǒng)常年運行土壤熱平衡分析128-134
• 6.5 本章小結134-135
• 結論135-138
• 參考文獻138-147
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文147-149
• 致謝149-150
• 個人簡歷150

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用于平頂大樓帶蓄熱交換器的熱泵——歐洲共同體節(jié)能和能源替代示范項目    陶為民;章彤;

《第八屆全國余熱制冷與熱泵技術學術會議》將在明年舉行    

中日交流熱泵蓄能技術 展現(xiàn)蓄冰供冷技術應用前景    湯蓓

橋東污水廠污水(中水)源熱泵系統(tǒng)設計    江雄志;趙會芳;劉炳虎;李超;

開啟地源熱泵技術城市級應用的序幕——首屆中國地源熱泵技術城市級應用高層論壇綜述    呂悅;鄧海燕;

地源熱泵技術打開地源利用新局面    石定寰;

熱泵技術的應用對環(huán)境影響的初探    薛越霞;

建筑節(jié)能中暖通空調(diào)的一般技術措施    張莉;龔嬌;

淺談水源熱泵技術的發(fā)展    李陽;

地源熱泵技術,有效提升住宅的使用功能——訪沈陽第一冷凍機有限公司北京分公司經(jīng)理劉建軍    魯曉舟

耦合熱泵技術的地熱能利用研究    何宏舟;

火電廠循環(huán)冷卻水廢熱熱泵回收利用問題研究    徐文忠;馮永華;

遼寧省委常委、市委書記陳政高提出 大力推廣應用地源熱泵技術努力建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會    陳政高;

內(nèi)容提要    

武漢推廣地源熱泵所做的工作    王永勝;

地源熱泵技術在中國的發(fā)展    呂悅;陳巖;

火電廠循環(huán)冷卻水廢熱回收利用問題研究    徐文忠;孫始財;

前言    

空氣能熱泵產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展戰(zhàn)略及前景    馬德軍;

淺層地能在農(nóng)業(yè)設施中的應用研究    江耀;卜云龍;周增產(chǎn);楊仁全;張春敏;張棟;龍智強;

堅定信心堅持創(chuàng)新推進地源熱泵工程不斷向前發(fā)展    沈宗河 記者 劉妮

地源熱泵今年再添1600萬平方米    于海

東大游泳館首嘗“地熱”甜頭    彭躍東

讓淺層地熱“熱”起來    本報記者 李響

地源熱泵的推廣清潔并溫暖著沈陽    本報記者 王云峰

沈陽推廣地源熱泵技術    文君 和平

沈陽全面推廣地源熱泵技術    岳陽劉佳

地源熱泵推廣面臨市場尷尬    中國樓市記者 馬華

沈陽地熱供暖成趨勢    記者　李丹 岳陽

沈陽新建房采用地源供熱    記者　水華

三套管蓄能型熱泵集成系統(tǒng)運行特性研究    牛福新

內(nèi)燃機熱泵獨立供能系統(tǒng)的理論模擬與實驗研究    陳軼光

季節(jié)性蓄熱太陽能—土壤耦合熱泵系統(tǒng)運行特性及優(yōu)化    王瀟

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北京地區(qū)淺層地溫能資源評價示范研究    徐光輝

嚴寒地區(qū)太陽能-土壤耦合熱泵季節(jié)性土壤蓄熱特性研究    張文雍

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新型分布式供能系統(tǒng)熱力特性研究    王錫

間接膨脹式太陽能多功能熱泵系統(tǒng)的研究    陽季春

采集凝固熱熱泵系統(tǒng)的形式與工況分析    錢劍峰

新型熱泵式兩段加熱型開水器的研制    江勇

熱管熱泵低溫熱能回收應用研究    張淑秘

余熱驅(qū)動內(nèi)可逆VM循環(huán)熱泵的有限時間熱力學優(yōu)化    吳宇

太陽能輔助多功能熱泵實驗研究    宋志雄

新型間膨式太陽能輔助多功能熱泵的實驗研究    劉玉遷

平行流換熱器在江水源熱泵中的應用研究    王超生

相變儲熱型熱泵熱水器的理論與實驗研究    張海峰

洗浴廢水熱回收熱泵系統(tǒng)的分析與研究    鄭曉琴

熱泵與熱電聯(lián)產(chǎn)耦合供暖系統(tǒng)研究    林偉

太陽能熱泵供熱技術在別墅采暖中的應用實驗研究    胡剛