季節(jié)性蓄熱太陽能-土壤耦合熱泵系統(tǒng)運行特性及優(yōu)化.pdf

1、土壤耦合熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)實際應(yīng)用中，由于熱泵從土壤中的取熱量很大，系統(tǒng)長年運行土壤溫度將逐年下降，熱泵的供暖性能也將逐年降低，最終導(dǎo)致熱泵出力不足。為此，本文基于太陽能移季利用的思想，提出將太陽能、土壤蓄熱和土壤耦合熱泵技術(shù)有機融合的季節(jié)性蓄熱太陽能-土壤耦合熱泵（SGCHPSS）系統(tǒng)，將非采暖季豐富的太陽能轉(zhuǎn)移至冬季使用，同時解決上述問題，從而為嚴(yán)寒地區(qū)供暖提供新方法。
　　為了了解該系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)的實際應(yīng)用效果和供暖性能，建立了

2、SGCHPSS實驗平臺，初步給出系統(tǒng)的運行方式和控制方法并進(jìn)行全年實驗研究。通過對太陽能土壤蓄熱運行特性、系統(tǒng)供暖運行特性和土壤全年溫變特性的實測和分析得出：太陽能季節(jié)性土壤蓄熱能夠有效提高土壤溫度，熱泵的COP達(dá)到4.29，系統(tǒng)全年的性能系數(shù)達(dá)到6.14，冬季供熱量中約87％來自于太陽能。
　　考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和時間的限制，對系統(tǒng)的進(jìn)一步研究不能一一通過實驗的方法實現(xiàn)，因此，在實驗的基礎(chǔ)上建立了該系統(tǒng)中各設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合

3、實驗中給定的運行方式和控制方法實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)仿真。通過將系統(tǒng)模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了系統(tǒng)模型的正確性。為了減少計算量，忽略了土壤換熱器管間的熱干擾，將多管土壤換熱器模型簡化為單管土壤換熱器模型。為了驗證簡化的合理性，將單管模型與多管模型進(jìn)行了對比驗證，結(jié)果表明：通過單管土壤換熱器模型計算得到的單個鉆井蓄熱量和取熱量與通過多管土壤換熱器模型計算得到的單個鉆井蓄熱量和取熱量的最大相對誤差分別為5.9%和7.9%，均小于10%，

4、在允許的范圍內(nèi)。
　　首先，利用建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型對 SGCHPSS系統(tǒng)進(jìn)行變參數(shù)模擬研究，詳細(xì)分析了改變系統(tǒng)配置參數(shù)——太陽能集熱器面積、土壤換熱器埋管深度和熱泵制熱量對系統(tǒng)運行特性的影響。模擬結(jié)果表明：增加集熱器面積和熱泵容量都有利于提高熱泵和系統(tǒng)的供暖性能，減少運行費用，而土壤換熱器埋管深度并不是越深越好，當(dāng)埋管深度增加至一定程度時熱泵和系統(tǒng)的供暖性能提升的幅度很小，同時會使運行費用增加。
　　其次，分別對有季節(jié)性蓄熱

5、和無季節(jié)性蓄熱情況下系統(tǒng)運行的可持續(xù)性進(jìn)行了分析，得出在嚴(yán)寒地區(qū)長年利用土壤耦合熱泵為建筑物供暖會出現(xiàn)熱泵出力不足，耗電量不斷增加，而室溫卻達(dá)不到要求的現(xiàn)象；而 SGCHPSS系統(tǒng)可以有效提高土壤溫度，使熱泵的供暖性能逐年提升，系統(tǒng)的耗電量也逐年減少，同時可以使土壤保持以年為周期的熱平衡。然后，針對實驗中運行方式存在的問題，提出三種新的可行的運行方式，并與實驗運行方式進(jìn)行了對比分析，得出通過改變運行方式可以提升系統(tǒng)的供暖性能，改變系統(tǒng)中

6、各設(shè)備的能量輸出比例；對供暖期進(jìn)行分階段改變運行方式可以在節(jié)約電能的同時改善供暖效果。
　　最后，給出系統(tǒng)可能的系統(tǒng)配置和運行方式，利用動態(tài)規(guī)劃法對不同系統(tǒng)配置下的運行方式進(jìn)行了優(yōu)化，得出不同系統(tǒng)配置下的供暖期最優(yōu)運行方式，再以系統(tǒng)費用年值為目標(biāo)函數(shù)對系統(tǒng)配置進(jìn)行了優(yōu)化，從而得到在實驗條件下的系統(tǒng)最優(yōu)配置和最優(yōu)運行方式。該優(yōu)化方法可以為 SGCHPSS系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。
　　通過本文的研究，證明了 SGCHPSS系統(tǒng)具