西北地區(qū)太陽能與熱泵耦合的土壤跨季熱響應研究

【摘要】：我國西北多數(shù)采暖地區(qū)的太陽能資源豐富，建筑冷負荷較小，建筑熱負荷相對較大，適合應用太陽能與土壤源熱泵耦合系統(tǒng)。一方面，太陽能蓄熱可以有效改善土壤的熱量失衡問題；另一方面，土壤源熱泵可以補償太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性缺點。本文基于耦合系統(tǒng)，建立土壤蓄、釋熱過程的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，通過對土壤熱響應進行研究，分析系統(tǒng)全年和多年運行過程中土壤溫度場的變化規(guī)律，進而通過土壤熱平衡分析，得到西北地區(qū)在滿足土壤熱平衡時最佳的鉆孔累積蓄熱量與累積釋熱量的比值，以及不同太陽能資源區(qū)適合應用耦合系統(tǒng)的最大建筑冷熱負荷比值。 首先通過瞬態(tài)數(shù)值計算，分析系統(tǒng)運行全年和多年過程中土壤的熱響應特性；研究在不同蓄熱熱流和不同熱流密度下的土壤熱響應特性；選取土壤溫度場的代表溫度，用其評價土壤溫度場的整體恢復情況；然后對土壤熱平衡的影響因素進行綜合分析，分別得出建筑冷熱負荷比值、鉆孔累積蓄熱量與累積釋熱量的比值的表達式；根據(jù)我國不同的建筑熱工分區(qū)和太陽能資源分布情況，選取西北地區(qū)9個典型城市，即西安、榆林、延安、哈密、烏魯木齊、蘭州、酒泉、西寧和銀川，針對各典型城市不同的建筑冷熱負荷比和太陽能保證率，以土壤溫度恢復率為衡量指標，確定系統(tǒng)運行模式中最佳的鉆孔累積蓄熱量與累積釋熱量的比值，以滿足全年土壤溫度場的熱平衡的要求；同時基于土壤熱平衡，確定西北五省不同太陽能資源區(qū)適合應用太陽能與土壤源熱泵耦合系統(tǒng)的最大建筑冷熱負荷比值。得出以下主要結(jié)論： （1）在全年夏、秋、冬、春季四個階段中，鉆孔壁溫均呈現(xiàn)出前10天內(nèi)波動最大的趨勢。在系統(tǒng)運行10年的過程中，土壤沿徑向的溫度差異始終很??；隨著系統(tǒng)運行時間的增加，土壤沿軸向的溫度差異逐漸增大，但是土壤溫度升高速率不大。 （2）對于鉆孔50m深的熱泵土壤換熱器系統(tǒng)，深度約20m處土壤的平均溫度可近似代表整個土壤溫度場全年恢復的平均水平。 （3）通過土壤熱平衡分析得到，夏、冬季鉆孔熱流密度的比值取決于建筑的冷熱負荷比，土壤源熱泵系統(tǒng)的制冷能效比、制熱性能系數(shù)和太陽能保證率。 （4）鉆孔累積蓄熱量與累積釋熱量的比值決定了土壤溫度場的恢復程度，當其值為0.88時，可基本滿足西北各典型城市土壤全年熱平衡的要求。 （5）在土壤熱平衡的基礎(chǔ)上，計算獲得了該耦合系統(tǒng)適合在西北不同太陽能資源區(qū)應用的最大建筑冷熱負荷比值。西北五省應用該耦合系統(tǒng)的適合程度從高到低排序依次為：青海，新疆，甘肅，寧夏，陜西。 本文的主要創(chuàng)新點：結(jié)合耦合系統(tǒng)，重新給定了土壤溫度恢復率的公式；通過瞬態(tài)數(shù)值計算，選取了土壤溫度場的代表溫度；建立了影響土壤熱平衡的各主要因素的關(guān)系式，得到了最佳的鉆孔累積蓄熱量與累積釋熱量的比值。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 土壤源熱泵 蓄熱 溫度 熱平衡
【學位授予單位】：西安建筑科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TU83
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 主要符號表9-11
• 1 緒論11-17
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.1 太陽能跨季蓄熱研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 土壤源熱泵系統(tǒng)研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2.3 太陽能與土壤源熱泵耦合系統(tǒng)研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 研究目的及意義15-16
• 1.4 主要研究內(nèi)容16-17
• 2 土壤熱響應過程17-22
• 2.1 鉆孔與土壤傳熱過程17-18
• 2.1.1 太陽能與土壤源熱泵耦合系統(tǒng)17-18
• 2.1.2 傳熱特性分析18
• 2.2 土壤蓄、釋熱過程傳熱模型18-20
• 2.2.1 土壤初始溫度的簡化20
• 2.2.2 土壤熱物性參數(shù)20
• 2.3 模型的數(shù)值求解20-21
• 2.4 本章小結(jié)21-22
• 3 土壤熱響應特性分析22-36
• 3.1 土壤全年熱響應特性22-28
• 3.1.1 周期性土壤熱響應特性22-24
• 3.1.2 徑向土壤熱響應特性24-26
• 3.1.3 軸向土壤熱響應特性26-28
• 3.2 不同蓄熱熱流土壤熱響應特性28-30
• 3.3 不同熱流密度土壤熱響應特性30-31
• 3.4 系統(tǒng)運行多年土壤熱響應特性31-34
• 3.4.1 土壤溫度場的代表溫度31-32
• 3.4.2 周期性土壤熱響應特性32
• 3.4.3 徑向土壤熱響應特性32-33
• 3.4.4 軸向土壤熱響應特性33-34
• 3.5 本章小結(jié)34-36
• 4 西北地區(qū)系統(tǒng)土壤熱平衡分析36-48
• 4.1 土壤熱平衡影響因素36-38
• 4.2 系統(tǒng)方案優(yōu)化38-47
• 4.2.1 典型城市建筑冷熱負荷比估算38-42
• 4.2.2 典型城市太陽能保證率估算42
• 4.2.3 典型城市最佳運行方式42-47
• 4.3 本章小結(jié)47-48
• 5 結(jié)論48-50
• 5.1 主要研究結(jié)論48-49
• 5.2 課題展望49-50
• 致謝50-51
• 碩士研究生階段發(fā)表的論文51-52
• 參考文獻52-57
• 圖表目錄57

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