季節(jié)蓄熱型太陽(yáng)能—土壤耦合熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

【摘要】：嚴(yán)寒地區(qū)冬季漫長(zhǎng)，建筑物的供暖熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于空調(diào)冷負(fù)荷。若單純采用土壤源熱泵系統(tǒng)，則冬季從土壤中的取熱量有可能會(huì)大于夏季釋放給土壤的熱量。因此系統(tǒng)常年運(yùn)行會(huì)使得地下土壤溫度場(chǎng)逐年降低，且難以在過(guò)渡季節(jié)充分恢復(fù)，繼而使熱泵的供暖性能系數(shù)惡化。太陽(yáng)能-土壤耦合熱泵系統(tǒng)（Solar-Ground Coupled Heat Pump, SGCHP）利用太陽(yáng)能集熱器收集非采暖季節(jié)的太陽(yáng)能，通過(guò)地埋管換熱器儲(chǔ)存到土壤中，冬季再使用熱泵將熱量提取出來(lái)，為建筑物供暖。這種跨季節(jié)的土壤蓄熱，不僅能將非采暖季豐富的太陽(yáng)能資源轉(zhuǎn)移到冬季使用，而且可以使土壤溫度得到充分恢復(fù)，保證熱泵系統(tǒng)的高效運(yùn)行。如果復(fù)合系統(tǒng)能夠設(shè)計(jì)合理，那么就可以有效地?cái)U(kuò)大太陽(yáng)能這種可再生能源的應(yīng)用范圍，帶來(lái)顯著的節(jié)能效益。 因此，本文首先收集整理了《建筑用氣象數(shù)據(jù)手冊(cè)》中各地的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)資料，計(jì)算出了不同地區(qū)太陽(yáng)能集熱器不同的安裝傾角下集熱板所能接收到的太陽(yáng)輻射量的方法，編程計(jì)算給出了各個(gè)地區(qū)的太陽(yáng)能集熱器最佳安裝傾角，比傳統(tǒng)建議的以地理緯度為安裝角的值略小一些。接著，介紹了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的基本理論。 然后，選取了榆林地區(qū)的一棟單體辦公建筑（面積3500㎡），采用DEST負(fù)荷計(jì)算軟件，模擬得到當(dāng)?shù)氐湫蜌庀竽陞?shù)下該建筑的全年逐時(shí)空調(diào)及采暖負(fù)荷。利用GLDPremier2012軟件，模擬分析了土壤的熱物性參數(shù)、埋管間距和回填材料導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)對(duì)該建筑冬夏逐時(shí)負(fù)荷作用下地埋管從土壤中取放熱所引起土壤溫度的累年變化特征的影響，給出了土壤溫度隨著運(yùn)行年份推移而變化的規(guī)律。 最后，采用三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬方法，對(duì)地埋管換熱器在土壤中的取熱以及蓄熱過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了地埋管換熱器的蓄熱性能。此外，還模擬了埋管管群的蓄熱情況，對(duì)埋管間距、埋管進(jìn)口流體溫度以及蓄熱時(shí)間對(duì)蓄熱性能的影響進(jìn)行了分析，并且對(duì)各影響因素下運(yùn)行一段時(shí)期后土壤的溫度場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比與分析。在模擬計(jì)算中得到了大量的關(guān)于地源熱泵地埋管換熱器在土壤中的蓄熱量以及土壤溫度場(chǎng)變化特性的數(shù)據(jù)。最后模擬了全年工況，基于模擬所得到的土壤溫度變化數(shù)據(jù)，計(jì)算得出了夏季所能蓄存到土壤中的熱量以及冬季能從土壤中提取出來(lái)的熱量。結(jié)果顯示：土壤釋熱率為92.8％，土壤平均溫升為0.54K，這在工程應(yīng)用中是可取的。 這一結(jié)論有助于利用地埋管通過(guò)太陽(yáng)能季節(jié)性蓄熱實(shí)現(xiàn)寒冷地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用。 【關(guān)鍵詞】：太陽(yáng)能-土壤源耦合熱泵 地埋管換熱器 季節(jié)性蓄熱 土壤溫度恢復(fù)性
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TU833
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-17
• 1.1 課題研究背景9-10
• 1.1.1 國(guó)內(nèi)能源狀況9
• 1.1.2 可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用9-10
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-14
• 1.2.1 地源熱泵系統(tǒng)研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 太陽(yáng)能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2.3 太陽(yáng)能-地源熱泵復(fù)合系統(tǒng)研究現(xiàn)狀12-14
• 1.3 SGCHP系統(tǒng)的提出14-16
• 1.3.1 SGCHP系統(tǒng)的工作原理15
• 1.3.2 SGCHP系統(tǒng)的運(yùn)行模式15-16
• 1.4 論文研究?jī)?nèi)容16-17
• 2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)17-32
• 2.1 太陽(yáng)能集熱器的形式17-18
• 2.2 太陽(yáng)能集熱器安裝傾角的確定18-27
• 2.2.1 太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度計(jì)算19-23
• 2.2.2 幾個(gè)典型地區(qū)的太陽(yáng)能集熱器最佳傾角計(jì)算23-27
• 2.3 太陽(yáng)能集熱器的連接形式27-28
• 2.4 太陽(yáng)能集熱器的安裝位置28-29
• 2.5 太陽(yáng)能集熱器面積的確定29-30
• 2.6 太陽(yáng)能系統(tǒng)蓄熱水箱的設(shè)計(jì)30-32
• 3 地埋管系統(tǒng)設(shè)計(jì)32-41
• 3.1 地埋管換熱器設(shè)計(jì)模擬軟件介紹32-36
• 3.2 地下溫度場(chǎng)的影響因素36-41
• 3.2.1 回填材料對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響37-39
• 3.2.2 巖土類型對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響39-40
• 3.2.3 鉆孔間距對(duì)土壤溫度場(chǎng)的影響40-41
• 4 太陽(yáng)能季節(jié)性土壤蓄熱的數(shù)理模型41-48
• 4.1 引言41
• 4.2 垂直U形埋管土壤蓄熱數(shù)理模型的建立41-48
• 4.2.1 U型管內(nèi)流體流動(dòng)換熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述42-44
• 4.2.2 網(wǎng)格劃分44-45
• 4.2.3 邊界條件的確定45-46
• 4.2.4 方程的計(jì)算流程46
• 4.2.5 模擬結(jié)果評(píng)價(jià)參數(shù)的定義46-48
• 5 基于SGCHP系統(tǒng)的土壤蓄熱特性的研究48-62
• 5.0 引言48
• 5.1 埋管間距對(duì)蓄熱的影響48-54
• 5.2 不同入口水溫對(duì)地下蓄熱溫度場(chǎng)的影響54-59
• 5.3 運(yùn)行模式對(duì)土壤蓄熱的影響59-60
• 5.4 全年運(yùn)行工況下取熱量與蓄熱量的研究分析60-62
• 6 結(jié)論與展望62-64
• 6.1 結(jié)論62-63
• 6.2 建議與展望63-64
• 致謝64-65
• 參考文獻(xiàn)65-69

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