严寒地区空气热源土壤蓄热热泵供暖系统可行性研究

论文摘要

在严寒地区,由于建筑物冬季热负荷远大于夏季冷负荷,热泵冬季取热量较大,常年运行会导致土壤平均温度不断下降,系统的性能系数逐年降低,本文提出了空气热源土壤蓄热系统,将夏季高温空气的热量通过室外换热器和地埋管换热器蓄存到自然土壤中,来补偿热泵冬季较大的土壤取热量,维持土壤温度场的年平衡,有效利用了夏季的自然热能,具有较强的节能意义。为了准确研究空气热源蓄热方式的蓄热特性,以及将其作为土壤源热泵辅助热源的可行性,本文建立了空气热源土壤蓄热热泵供暖实验系统,监测了夏季高温空气蓄热系统的蓄热性能和冬季热泵的取热性能,系统分析了全年蓄热、恢复和取热过程土壤温度场的变化;在理论研究上,建立了单U型垂直地埋管、热泵机组、风机盘管等数学模型,并验证了各部分数学模型在一定条件下的正确性、可靠性;使用Matlab软件编制了系统全年动态仿真模型,模拟了系统在哈尔滨、长春、沈阳等地区的全年运行过程,分析了土壤的蓄热取热特性,并比较了本系统与常规土壤源热泵系统在哈尔滨地区多年运行后的经济性。研究表明,夏季蓄热系统在一定程度上维持了土壤温度场的平衡,系统在以上地区的全年性能系数均比常规土壤源热泵系统高;在哈尔滨地区多年运行后,系统性能系数明显高于常规土壤源热泵系统,运行费用也较低,说明该系统用于严寒地区建筑供暖是可行的。本文为空气热源土壤蓄热热泵供暖系统在严寒地区的应用提供了部分理论依据,为深入研究该系统提供了大量的基础数据,在一定程度上可以作为工程应用的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 能源环境现状分析
• 1.1.2 课题研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 课题的主要研究内容
• 第2章 空气热源土壤蓄热热泵供暖系统数理模型
• 2.1 U型管土壤换热器数理模型的建立
• 2.1.1 U型管换热器的物理模型
• 2.1.2 U型管换热器的数学模型
• 2.1.3 导热微分方程的离散
• 2.1.4 控制方程的离散
• 2.1.5 边界条件的离散和处理
• 2.2 热泵机组的数学模型
• 2.3 风机盘管数理模型
• 2.3.1 风机盘管的物理模型
• 2.3.2 风机盘管的数学模型
• 2.4 供暖房间的热力模型
• 2.5 模拟计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 空气热源土壤蓄热热泵供暖系统实验台
• 3.1 实验系统概述
• 3.2 实验系统的组成
• 3.2.1 土壤换热器
• 3.2.2 风机盘管
• 3.2.3 热泵机组
• 3.2.4 测量系统
• 3.3 本章小结
• 第4章 空气热源土壤蓄热热泵供暖系统实验
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 夏季蓄热过程
• 4.2.2 过度季土壤恢复过程
• 4.2.3 冬季取热过程
• 4.3 实验结果计算
• 4.3.1 夏季蓄热阶段计算
• 4.3.2 冬季取热阶段计算
• 4.4 实验结果分析
• 4.4.1 夏季蓄热过程研究
• 4.4.2 土壤温度场恢复过程研究
• 4.4.3 冬季取热过程研究
• 4.5 实验结果与模拟结果的对比分析
• 4.5.1 系统模型的验证
• 4.5.2 实验工况下模拟结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 空气热源土壤蓄热热泵供暖系统模拟研究
• 5.1 哈尔滨地区系统应用分析
• 5.1.1 蓄热启动温度分析
• 5.1.2 土壤的蓄热取热特性
• 5.1.3 空气蓄热土壤源热泵系统全年运行分析
• 5.1.4 蓄热系统多年运行经济性分析
• 5.2 其他地区系统运行分析
• 5.2.1 长春地区的运行特性分析
• 5.2.2 沈阳地区的运行特性分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢