太陽能—土壤源熱泵雙熱源耦合特性及地下蓄能傳熱強(qiáng)化研究

【摘要】：隨著社會(huì)進(jìn)步和人們生活水平的提高,能源的重要性日益凸顯,社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展要求能源具備可持續(xù)利用的基本特點(diǎn)。太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)充分利用清潔太陽能作為系統(tǒng)主要熱源之一,具有單獨(dú)土壤源熱泵系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢(shì),因此具有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過實(shí)驗(yàn)研究、TRNSYS仿真及MATLAB模擬相結(jié)合的方法,對(duì)太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)雙熱源耦合特性及地下蓄能傳熱強(qiáng)化進(jìn)行了分析和研究。實(shí)驗(yàn)方面,利用太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了單獨(dú)土壤源熱泵供熱、太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱、水箱蓄熱運(yùn)行和土壤蓄熱運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。分析比較了太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)在各實(shí)驗(yàn)工況下機(jī)組性能系數(shù)、埋管進(jìn)出口水溫變化、系統(tǒng)熱量關(guān)系、太陽能集熱效率及雙熱源的耦合特性,得到了不同負(fù)荷場(chǎng)所適宜運(yùn)行的工況。實(shí)驗(yàn)表明：太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱運(yùn)行模式中,太陽能和土壤源是耦合的。實(shí)驗(yàn)條件下,該模式工況一和工況二機(jī)組平均COP分別為3.61和3.48,太陽能平均集熱效率分別為51.5和38.2%。水箱蓄熱運(yùn)行模式可顯著提高機(jī)組的性能系數(shù),水箱蓄熱工況二比工況一埋管出口溫度高出1.85℃,土壤溫降更小,更加有利于系統(tǒng)第二天運(yùn)行。土壤蓄熱運(yùn)行模式有助于土壤溫度恢復(fù),工況一與工況二土壤溫度恢復(fù)率分別為56.8和13.82%,太陽能平均集熱效率分別為47.8和41.5%。綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于僅需夜間供熱且供熱負(fù)荷較大場(chǎng)所,水箱蓄熱工況二和土壤蓄熱工況二較為適宜,兩種工況機(jī)組平均COP分別可達(dá)3.91和3.8；在白天全天需供熱場(chǎng)所,聯(lián)合運(yùn)行工況一為推薦工況。理論方面,本文基于TRNSYS瞬態(tài)模擬平臺(tái),建立了太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)仿真模型,并進(jìn)行了不同工況10年的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算,分析了各模式下土壤平均溫度、機(jī)組性能系數(shù)、太陽能集熱效率等隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在以供熱為主的場(chǎng)所,太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)能夠較好保持土壤熱平衡,10年后土壤源單獨(dú)運(yùn)行、聯(lián)合運(yùn)行、水箱蓄熱運(yùn)行和交替運(yùn)行土壤溫度下降率分別為29.1、13.1、17.1和8.6%。整個(gè)供暖期內(nèi),土壤源單獨(dú)運(yùn)行、聯(lián)合運(yùn)行、水箱蓄熱運(yùn)行和交替運(yùn)行機(jī)組平均COP分別為4.5、4.87、4.7和4.78,太陽能平均集熱效率分別為59.4、44.8和62.6%,太陽能所占負(fù)荷比分別為45.1、19.3和60.4%。對(duì)太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化分析可得：模擬條件下系統(tǒng)適宜集熱器面積、水箱容積以及埋管數(shù)量分別為140m2、2.8m3和9個(gè)。為進(jìn)一步探討太陽能-U型埋管地下蓄能與釋能過程中的強(qiáng)化傳熱措施,利用MATLAB軟件編制了地下蓄能傳熱數(shù)學(xué)模型,研究了土壤類型、蓄能進(jìn)口溫度、蓄能分配模式對(duì)強(qiáng)化土壤蓄熱量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨熱擴(kuò)散率值增大,土壤溫度趨于一致能力增大,更加有利于土壤蓄熱。隨著蓄熱進(jìn)口水溫增大,埋管蓄熱區(qū)域土壤溫度和蓄熱量升高。外低溫內(nèi)高溫的非均勻蓄熱模式在蓄熱量上并不占明顯優(yōu)勢(shì),但該蓄熱模式可明顯減弱熱量的擴(kuò)散,提高蓄熱體的平均溫度。全年取放熱運(yùn)行后,熱擴(kuò)散率最大的花崗巖土壤中心溫度最低,其次是砂土和黏土。本文的研究工作為太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)耦合特性及地下蓄能強(qiáng)化的進(jìn)一步深入研究提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論依據(jù),為太陽能-土壤源熱泵的實(shí)際工程應(yīng)用提供了參考。 【關(guān)鍵詞】：太陽能-土壤源熱泵 耦合特性 TRNSYS 地下蓄能 實(shí)驗(yàn)研究
【學(xué)位授予單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU83;TU18
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 符號(hào)說明8-11
• 第一章 緒論11-19
• 1.1 課題研究背景及意義11-13
• 1.1.1 能源利用現(xiàn)狀與太陽能資源分布11-12
• 1.1.2 太陽能-土壤源熱泵技術(shù)的提出及基本原理12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-17
• 1.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行模式與運(yùn)行特性研究13-15
• 1.2.2 系統(tǒng)仿真與模擬15-16
• 1.2.3 跨季節(jié)地下蓄熱與相變蓄熱16-17
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容17-19
• 第二章 太陽能-土壤源熱泵雙熱源耦合特性實(shí)驗(yàn)研究19-38
• 2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容19
• 2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)19-23
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介及原理19-21
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集21-23
• 2.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行模式及流程23-26
• 2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與誤差分析26-28
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理26-27
• 2.4.2 誤差分析27-28
• 2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析28-37
• 2.5.1 單獨(dú)土壤源熱泵運(yùn)行模式實(shí)驗(yàn)28-29
• 2.5.2 太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱運(yùn)行實(shí)驗(yàn)29-32
• 2.5.3 太陽能-土壤源熱泵水箱蓄熱運(yùn)行實(shí)驗(yàn)32-34
• 2.5.4 太陽能-土壤源熱泵土壤蓄熱運(yùn)行實(shí)驗(yàn)34-36
• 2.5.5 各實(shí)驗(yàn)工況的比較36-37
• 2.6 本章小結(jié)37-38
• 第三章 太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)TRNSYS數(shù)學(xué)模型38-45
• 3.1 TRNSYS軟件簡介38-39
• 3.1.1 軟件開發(fā)背景38
• 3.1.2 TRNSYS功能與特點(diǎn)38-39
• 3.2 太陽能集熱器模型39
• 3.3 地埋管換熱器模型39-40
• 3.4 熱泵機(jī)組數(shù)學(xué)模型40-41
• 3.5 蓄熱水箱數(shù)學(xué)模型41-42
• 3.6 定速水泵數(shù)學(xué)模型42
• 3.7 建筑負(fù)荷42-44
• 3.8 本章小結(jié)44-45
• 第四章 太陽能-土壤源熱泵耦合系統(tǒng)TRNSYS模擬45-62
• 4.1 課題模擬的主要目的45
• 4.2 TRNSYS模擬部件設(shè)置45-48
• 4.2.1 負(fù)荷數(shù)據(jù)讀取部件45
• 4.2.2 動(dòng)力系統(tǒng)部件45-46
• 4.2.3 集熱與換熱系統(tǒng)部件46-47
• 4.2.4 控制系統(tǒng)部件47-48
• 4.3 模擬系統(tǒng)可行性驗(yàn)證48-49
• 4.4 太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的TRNSYS模擬49-57
• 4.4.1 各運(yùn)行工況模擬平臺(tái)搭建49-51
• 4.4.2 仿真模型運(yùn)行作息時(shí)間的設(shè)置51-52
• 4.4.3 10年工況模擬與結(jié)果分析52-57
• 4.5 太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合運(yùn)行工況優(yōu)化分析57-60
• 4.5.1 集熱器面積58-59
• 4.5.2 水箱容積59
• 4.5.3 埋管數(shù)量59-60
• 4.6 本章小結(jié)60-62
• 第五章 地下蓄能傳熱強(qiáng)化研究62-73
• 5.1 地下蓄能傳熱模型62-64
• 5.1.1 物理模型62-63
• 5.1.2 數(shù)學(xué)模型63-64
• 5.2 蓄能模型的數(shù)值求解64-66
• 5.2.1 計(jì)算區(qū)域的離散64-65
• 5.2.2 控制方程的離散65
• 5.2.3 計(jì)算方式及模擬條件65-66
• 5.3 計(jì)算結(jié)果及其分析66-72
• 5.3.1 土壤類型的影響66-69
• 5.3.2 蓄能溫度的影響69-70
• 5.3.3 蓄能分配方式的影響70-71
• 5.3.4 跨季節(jié)蓄能與取能分析71-72
• 5.4 本章小結(jié)72-73
• 第六章 結(jié)論與展望73-76
• 6.1 主要研究結(jié)論73-74
• 6.2 展望74-76
• 參考文獻(xiàn)76-81
• 致謝81-82
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文與研究的項(xiàng)目及獲獎(jiǎng)情況82-83

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