严寒地区太阳能—土壤耦合热泵系统研究

【摘要】：土壤源热泵系统是节能环保的新型能源系统。它利用浅层地能作为冷热源，不受地域、资源等限制，属于清洁能源，具有很大的发展潜力。但是，在严寒地区，冬夏季温差大导致土壤源热泵冬季取热量大，夏季排热量小，随着系统的长期运行，会出现地埋管周围土壤温度降低的“冷堆积”现象，土壤温度逐渐降低直接导致性能系数下降，致使系统无法运行。 为解决这一问题，本文开展太阳能-土壤耦合热泵系统的研究，将可再生的太阳能作为补充热源与土壤源热泵结合运行，并将过渡季太阳能吸收的热量蓄存到土壤中，用来补充冬季过度消耗的热量。 本文首先对太阳能做了全面的分析计算，其次介绍了太阳能-土壤耦合热泵系统的工作原理，根据两种热源的特点确定适用于本课题的运行模式；完成了对太阳能-土壤耦合热泵系统的数理模型简化并定量确定了不同模式之间的启动关系；随后对太阳能-土壤耦合热泵系统进行模拟计算。 为了研究严寒地区太阳能-土壤耦合热泵系统，在冬季、过渡季及夏季不同工况中太阳能集热器的合理范围，为定量分析两种热源系统，本文建立了地埋管换热器的有限体积模型，以单U型地埋管为研究对象，对其在不同工况下土壤温度场变化进行了模拟计算。结果表明： 通过模拟计算，对系统作以年为周期的数值模拟，通过对比加载太阳能集热系统前后土壤温度场，得出地埋管周围土壤温度变化规律。 从经济角度对集热器进行优化，通过太阳能费用年值与集热器面积所建立的目标函数的计算，结合年排热取热不平衡率为指标对太阳能集热器面积进行优化，使集热器面积保持在合理的范围。得出长春地区1000㎡的建筑物采用太阳能-土壤耦合热泵系统是最佳集热器面积为173㎡。 【关键词】：太阳能 土壤源热泵 数值模拟 严寒地区
【学位授予单位】：吉林建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU83
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题提出的背景11-15
• 1.2 研究目的及意义15-17
• 1.3 国内外研究现状17-19
• 1.3.1 国外现状分析17-18
• 1.3.2 国内现状分析18-19
• 1.4 有待解决的课题19
• 1.5 主要的研究内容19-21
• 第2章 两种热源分析计算21-37
• 2.1 土壤源21-24
• 2.1.1 地源热泵介绍21-22
• 2.1.2 地埋管换热器计算22-24
• 2.2 太阳能24-36
• 2.2.1 太阳能基础计算25-31
• 2.2.2 集热器系统计算31-36
• 2.3 本章小结36-37
• 第3章 复合系统工作原理及运行模式37-51
• 3.1 太阳能 土壤耦合热泵系统工作原理37-39
• 3.2 运行模式39-42
• 3.3 数理模型42-49
• 3.3.1 土壤换热器数学模型42-47
• 3.3.2 太阳能集热器数学模型47-49
• 3.4 启动条件49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 复合系统数值模拟51-68
• 4.1 模拟参数51-53
• 4.2 模拟方案设计53-54
• 4.3 全年运行结果54-55
• 4.4 土壤温度特性分析55-67
• 4.4.1 单一热源热泵供热阶段土壤温度变化情况55-63
• 4.4.2 太阳能土壤耦合热泵供热阶段土壤温度变化情况63-67
• 4.5 本章小结67-68
• 第5章 集热器设备优化68-72
• 5.1 经济分析原理68
• 5.2 经济分析模型68-71
• 5.3 经济分析结果71
• 5.4 本章小结71-72
• 结论72-74
• 参考文献74-78
• 攻读学位期间发表的学术论文78-79
• 致谢79

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