太陽(yáng)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.pdf

1、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(yáng)能-土壤源熱泵系統(tǒng)充分利用清潔太陽(yáng)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、TRNSYS仿真及MATLAB模擬相結(jié)合的方法，對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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

2、熱泵供熱、太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱運(yùn)行模式中，太陽(yáng)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(yáng)能平均集熱效率分別為51.5和38.2％。水箱蓄熱運(yùn)行模

3、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(yáng)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

4、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(yáng)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(yáng)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(yáng)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)

5、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(yáng)能平均集熱效率分別為59.4、44.8和62.6％，太陽(yáng)能所占負(fù)荷比分別為45.1、19.3和60.4％。對(duì)太陽(yáng)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(yáng)能-U型埋管地下蓄能與釋能過(guò)程中的強(qiáng)化傳熱措施，利用MATLAB軟件編制了地下蓄

6、能傳熱數(shù)學(xué)模型，研究了土壤類(lèi)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(yáng)能-土壤