土壤源热泵系统全寿命周期内的运行模拟与换热器优化设计研究

论文摘要

土壤源热泵系统是建筑领域可再生能源利用的重要形式之一,该系统以大地作为建筑空调系统的冷热源,实现系统的节能运行。地埋管换热器换热性能的特殊性和较高的初投资,是制约土壤源热泵系统推广应用的主要“瓶颈”。保证土壤源热泵系统的可靠性和经济性,是系统设计和工程应用中最关键的问题之一。在土壤源热泵系统长期的运行过程中,土壤中热(冷)量的累积效应使得系统的可靠性受到严重挑战。这客观上要求在进行系统设计时,对系统在其寿命周期内的运行特性应尽可能准确地做出预判。因此,对于土壤源热泵系统进行寿命周期内动态运行特性模拟是非常必要的。地埋管换热器是土壤源热泵系统的重要组成部分,本文首先研究了垂直U型地埋管换热器的数学模型,以保证系统模拟的计算速度和准确性。对于单钻孔地埋管换热器,用格林函数法计算钻孔外传热,实现了计算准确度和计算速度的双重提高；同时,在与有限长线热源模型(FLSM)进行比较的基础上,引入DST数值模型计算地埋管换热器钻孔群的换热特性。通过分别建立热泵机组、循环水泵和垂直U型地埋管换热器的数学模型,组成了土壤源热泵系统的数学模型。该模型以全年逐时动态建筑冷(热)负荷作为输入,土壤物性作为边界条件,实现了系统全寿命周期(20年)内的循环水温、土壤温度和能耗的逐时模拟。为了验证土壤源热泵系统模型,对某土壤源热泵工程供冷季和供热季的运行特性进行了实测。通过源侧水温、流量和能耗实测值与模拟值的对比,本文建立的系统模型和各部件模型显示了较高的计算准确性。以该系统模型为基础,通过系统逐时运行模拟可实现土壤源热泵系统运行特性的准确预判。以土壤源热泵系统模拟为平台,在热泵系统的全寿命周期内,对地埋管换热器的组合形式进行了优化设计。以系统全寿命周期内热泵机组的最高进水温度或最低进水温度为控制目标,通过系统优化软件Genopt和热泵系统模型的耦合,对地埋管换热器进行优化设计,确定针对某一建筑负荷的最优地埋管换热器组合形式。在此基础上,通过计算最优化系统的全寿命周期成本(LCC),分析了建筑负荷和设定为优化目标的热泵机组最高进水温度对系统LCC的影响。最后,结合具体实例,对土壤源热泵系统地埋管换热器的优化设计方法进行应用分析。选取北京、青岛、武汉和重庆四个地区的教学楼、办公楼、宾馆和住宅楼进行土壤源热泵系统地埋管换热器的优化设计。在系统设计时,分别选定单U型和双U型地埋管换热器,可得到不同地埋管形式对应的钻孔尺寸最优值。由于建筑功能和所处地区气候条件的差异,对比各最优系统的LCC值发现,双U型地埋管换热器并不一定比单U型更具优势。通过地埋管换热器优化实例,为土壤源热泵系统设计的可靠性、经济性提供了有利参考,证明了全寿命周期内的地埋管换热器优化设计具有较强的实用性；LCC值的计算预测了热泵系统的经济性指标,为土壤源热泵系统的方案优选、控制策略评估和投资控制提供了有力保证。本文对土壤源热泵系统建模、验证和地埋管换热器优化进行了较为全面的研究,完善了土壤源热泵系统优化设计理论,从全寿命周期成本LCC值的角度分析了土壤源热泵系统的经济性指标,为土壤源热泵系统这一可再生能源利用技术的推广应用提供了重要的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 能源、环境问题与建筑节能
• 1.2 热泵技术在建筑节能中的应用
• 1.3 土壤源热泵系统的特点
• 1.4 土壤源热泵的国内外应用与研究现状
• 1.4.1 土壤源热泵的国内外应用现状
• 1.4.2 土壤源热泵的国内外研究现状
• 1.5 课题的提出
• 1.6 本文研究的主要内容
• 2 垂直U型埋管换热器数学模型
• 2.1 垂直U型埋管换热器的物理模型与传热分析
• 2.1.1 钻孔外部——导热
• 2.1.2 钻孔内部——导热和对流
• 2.1.3 建筑负荷和热泵机组——逐时变化的边界条件
• 2.2 垂直U型埋管换热器数学模型综述
• 2.2.1 解析解模型
• 2.2.2 数值解模型
• 2.2.3 响应因子模型（g函数）
• 2.2.4 钻孔内热阻模型
• 2.3 垂直U型埋管换热的格林函数法求解
• 2.3.1 格林函数的应用
• 2.3.2 格林函数法求解钻孔壁温
• 2.3.3 计算方法验证与对比
• 2.3.4 计算模型的适用性
• 2.4 多孔管群地埋管换热器数值模型
• 2.4.1 DST模型的热交换过程
• 2.4.2 DST模型的建立
• 2.4.3 DST模型在定边界条件下的应用
• 2.4.4 DST模型的适用性
• 2.5 本章小结
• 3 土壤源热泵系统运行模拟
• 3.1 土壤源热泵系统模拟分析
• 3.1.1 系统模型的组成
• 3.1.2 系统运行模拟的实施
• 3.2 建筑负荷的确定
• 3.3 热泵机组模型
• 3.3.1 热泵模型的建立
• 3.3.2 热泵模型的量化
• 3.4 水泵模型
• 3.4.1 定流量泵模型
• 3.4.2 变流量泵模型
• 3.5 土壤源热泵系统运行模拟实例
• 3.5.1 建筑负荷与各组成模块的设定
• 3.5.2 全寿命周期内逐时模拟结果
• 3.5.3 系统运行模拟的可行性
• 3.6 本章小结
• 4 土壤源热泵系统模型的实验验证
• 4.1 实验系统
• 4.1.1 工程概况
• 4.1.2 测试参数
• 4.1.3 测点布置
• 4.1.4 实验工况调节
• 4.2 测试仪器与实验过程
• 4.2.1 测试仪器
• 4.2.2 实验过程
• 4.2.3 测试误差分析
• 4.3 针对本实验的系统模型
• 4.3.1 系统模型的输入
• 4.3.2 水泵能耗的确定
• 4.3.3 地埋管换热器的相关参数
• 4.4 夏季运行工况实验验证
• 4.4.1 夏季供冷时地埋管换热器模型的验证
• 4.4.2 夏季系统模型的验证
• 4.4.3 夏季热泵机组模型的验证
• 4.5 冬季运行工况实验验证
• 4.5.1 冬季供热时地埋管换热器模型的验证
• 4.5.2 冬季系统模型的验证
• 4.5.3 冬季热泵机组模型的验证
• 4.6 本章小结
• 5 垂直U型埋管换热器优化设计
• 5.1 土壤源热泵系统设计
• 5.1.1 建筑负荷特性
• 5.1.2 地埋管换热器
• 5.2 地埋管换热器优化设计
• 5.2.1 系统优化设计简介
• 5.2.2 优化设计参数的确定
• 5.2.3 地埋管换热器优化设计的目标函数
• 5.2.4 地埋管换热器优化设计的实施
• 5.3 地埋管换热器的优化设计算例
• max=38℃,不同建筑负荷的影响'>5.3.1 T_max=38℃,不同建筑负荷的影响
• set,热泵机组最高进水温度T_max的影响'>5.3.2 Q=67%Q_set,热泵机组最高进水温度T_max的影响
• 5.3.3 地埋管换热器优化结果
• 5.4 最优土壤源热泵系统的全寿命周期成本（LCC）分析
• 5.4.1 土壤源热泵系统初投资
• 5.4.2 全寿命周期内LCC值计算
• 5.5 本章小结
• 6 垂直U型埋管换热器优化设计的应用分析
• 6.1 不同建筑气候区应用工程的选取
• 6.1.1 建筑工程地点的选取
• 6.1.2 不同建筑功能工程的选取
• 6.1.3 建筑负荷特征分析
• 6.2 土壤源热泵系统的设计优化
• 6.2.1 十六组设计方案的设备选择
• 6.2.2 设计方案的地埋管换热器优化结果
• 6.3 土壤源热泵系统各方案的LCC分析
• 6.3.1 方案的初投资相关经济指标
• 6.3.2 方案的运行能耗与NPV值计算
• 6.3.3 方案LCC值的对比分析
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 课题展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文和参与的科研项目
• 致谢