土壤源热泵工程应用

论文摘要

土壤源热泵是一种可再生能源利用的技术,它利用土壤这一庞大的蓄热体,可实现资源的跨季度利用。夏季利用冬季蓄存的冷量供冷,同时蓄存热量以备冬用；冬季利用夏季蓄存的热量供热,同时蓄存冷量以备夏用。因此,土壤源热泵机组夏季冷凝温度低,冬季蒸发温度高,系统的能效比较常规系统会有很大的提高,从而实现节能减排,对低碳城市发展具有重要意义。土壤源热泵系统的地下换热过程是一个长期的非稳态传热过程,其长期运行性能除受地下岩土初始温度、岩土热物性参数影响外,还受埋管负荷分布及负荷大小的影响。针对土壤源热泵系统的工程应用,本论文从三个方面对土壤源热泵系统进行了分析：(1)地下传热模型。通过对比现有的各传热模型计算得到的钻孔外非稳态导热热阻,发现在现有的传热模型中无限长线热源模型公式简单、计算方便且计算精度良好。(2)岩土热物性测试。根据最新规范,自主开发了高精度的热响应实验平台,并编写了用于反算岩土热物性参数的MATLAB源码。(3)地埋管换热器长期运行性能分析。根据叠加原理,将无限长线热源模型用于单一钻孔和管群的长期运行性能分析,并将分析结果与目前国内常用的地热之星V3.0的分析结果进行了对比。结果表明对于工程中常见的竖直埋管,无限长线热源模型能够进行地源热泵的设计分析和运行性能分析,能够进行逐时分析且计算速度较快。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 土壤源热泵市场现状
• 1.2 土壤源热泵研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 土壤源热泵简介
• 1.3.1 土壤源热泵原理
• 1.3.2 土壤温度分布
• 1.3.3 地埋管换热器的形式
• 1.4 本文的研究内容
• 1.4.1 地下传热模型
• 1.4.2 岩土热物性测试
• 1.4.3 地埋管换热器长期运行性能
• 第二章 地下传热模型
• 2.1 无限长线热源模型
• 2.2 无限长圆柱热源模型
• 2.3 有限长线热源模型
• 2.4 三种解析模型的比较
• 2.4.1 R（τ）的表达式
• 2.4.2 模型的比较
• 第三章 岩土热物性现场测定
• 3.1 测试原理
• 3.1.1 温度响应模型
• 3.1.2 数据处理方法
• 3.2 测试设备
• 3.2.1 测试一般规定
• 3.2.2 测试内容
• 3.2.3 测试设备
• 3.3 岩土热物性测试数据处理算法
• 3.3.1 规范推荐算法
• 3.3.2 国际地源热泵协会推荐算法
• 3.3.3 其他算法
• 3.3.4 数据处理实例
• 第四章 长期运行特性
• 4.1 变负荷运行模型
• 4.1.1 单一钻孔的变负荷运行模型
• 4.1.2 单一钻孔运行结果分析
• 4.1.3 管群的变负荷运行模型
• 4.2 变负荷运行模型的应用
• 4.2.1 设计计算
• 4.2.2 可行性分析
• 4.2.3 能耗分析
• 4.3 起始运行时间对地埋管换热器长期运行性能的影响
• 4.3.1 对全年运行的影响
• 4.3.2 对多年运行的影响
• 第五章 问题讨论
• 5.1 地源热泵地埋管换热器的地下传热模型
• 5.2 热响应实验
• 5.3 长期运行性能分析
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢