严寒地区土壤源热泵系统地埋管运行特性研究

论文摘要

土壤源热泵是一项利用可再生能源进行供暖供冷的节能环保技术,随着人们节能环保意识的提高,近年来该项技术在国内外备受关注。严寒地区土壤初始温度低,土壤源热泵冬季运行时地埋管换热器周围土壤容易出现冻结现象,土壤冻结后导热性能增强,同时水分相变释放出的潜热量很大,这些均有利于提高地埋管换热器的换热量,但关于这方面的研究很少,对于土壤冻结对地埋管换热器换热量的影响有多大,现阶段并未有明确的说明;而且现有的地埋管换热器的传热模型大都未考虑出现土壤冻结现象后,由于相变潜热的释放和物性参数的变化使导热控制方程具有非线性的特点。尽管在严寒地区应用土壤源热泵会由于冬夏负荷不平衡降低系统的整体性能,但对于一些远离城市热网而且对污染物排放有较高要求的区域,应用土壤源热泵仍具有一定的合理性,因此本文将对严寒地区土壤源热泵系统地埋管换热器运行特性进行相关的研究。在借鉴国内外有关地埋管换热器传热模型的基础上,分析了严寒地区地埋管换热器的传热机理,针对土壤冻结后热传导方程非线性的特点,对地埋管换热器的管道截面进行了转换,采用方形截面的管道代替垂直U型埋管换热器的圆管,给出了管道截面转换的修正条件,并在直角坐标系下建立了考虑土壤冻结的地埋管换热器的数学模型,其中对于土壤的相变采用显热容法处理,该模型考虑了进出水支管传热的不对称性,并可实现对存在非线性项的地埋管换热器管群温度场进行整体求解,为模拟严寒地区土壤源热泵系统的运行特性奠定了基础。建立了地埋管换热器低温取热实验系统,根据对系统连续运行测试的结果,对严寒地区地埋管换热器的低温取热特性进行了分析,得到了连续低温取热工况下地埋管换热器的单位深度换热量,并利用实验数据验证了本文对管道截面转换后所建立的地埋管换热器的数学模型。在所建立的考虑土壤冻结的地埋管换热器传热模型的基础上,模拟研究了不同进口流体温度、土壤初始温度、土壤类型和土壤含水量对地埋管换热器周围土壤冻结特性的影响,并进一步分析了土壤冻结对地埋管换热器换热量的影响,为在实际工程中准确考虑土壤冻结对地埋管换热器换热量的影响提供了重要的理论支持。采用考虑土壤冻结的地埋管换热器管群传热模型,对影响地埋管换热器运行特性的管内流体的流量、管材、钻孔的深度、地埋管换热器两支管的间距、钻孔间距等因素进行了分析;根据对管群中不同位置地埋管换热器的换热能力以及管群长期单季节运行时的土壤温度场和换热量进行的计算分析,给出了严寒地区地埋管换热器推荐钻孔间距,该部分工作有助于在严寒地区地埋管换热器管群的设计中选取合理的参数。以哈尔滨地区一幢单体建筑为例,对严寒地区土壤源热泵系统的全年运行特性进行了模拟研究,分析了采暖期地埋管换热器的进出口流体温度变化趋势、地埋管换热器的取热量,以及土壤源热泵系统的供暖性能系数;针对供暖期结束后土壤温度较低的特点,对夏季采用土壤源热泵系统供冷和不启动热泵机组利用土壤冷源直接供冷的运行模式进行了比较,分析了两种不同模式的运行特性。此外,根据对严寒地区土壤热泵源系统全年土壤取放热量的计算,分析了严寒地区土壤冬夏取放热量的不平衡率,为严寒地区土壤源热泵系统的优化运行以及采取技术措施改善土壤取放热量不平衡的不利影响提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 土壤源热泵的研究现状
• 1.2.2 垂直U型埋管换热器的数学模型研究现状
• 1.2.3 土壤冻结对地埋管换热器性能影响的研究现状
• 1.2.4 土壤相变传热的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 严寒地区地埋管换热器传热模型与计算
• 2.1 严寒地区地埋管换热器传热过程分析
• 2.2 严寒地区地埋管换热器传热过程的物理模型
• 2.2.1 物理模型的建立
• 2.2.2 方形截面管道参数的确定
• 2.2.3 钻孔区域的修正
• 2.3 严寒地区地埋管换热器传热的数学模型
• 2.3.1 土壤源热泵系统运行时地埋管换热器的数学模型
• 2.3.2 土壤源热泵系统停止运行时地埋管换热器的数学模型
• 2.3.3 地埋管换热器管群的数学模型
• 2.4 模型的数值求解
• 2.4.1 计算区域及方程的离散化
• 2.4.2 离散方程的求解
• 2.5 模型参数的计算
• 2.5.1 管内对流换热系数
• 2.5.2 土壤的物性参数
• 2.6 模拟计算流程
• 2.7 本章小结
• 第3章 地埋管换热器低温取热工况的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验原理及系统的组成
• 3.2.1 地埋管换热器
• 3.2.2 热泵机组
• 3.2.3 风机盘管机组及水泵
• 3.2.4 实验测量系统
• 3.3 实验结果分析与模型验证
• 3.3.1 实验数据的处理
• 3.3.2 土壤自然温度分布
• 3.3.3 进出口流体温度数据分析
• 3.3.4 土壤温度变化情况
• 3.3.5 地埋管换热器数学模型的验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 地埋管换热器周围土壤冻结特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 地埋管换热器周围土壤冻结区域特征
• 4.3 进口流体温度对土壤冻结特性的影响
• 4.4 土壤初始温度对土壤冻结特性的影响
• 4.5 土壤参数对土壤冻结特性的影响
• 4.5.1 不同类型土壤中土壤冻结特性分析
• 4.5.2 土壤含水量对土壤冻结特性的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 土壤冻结的地埋管换热器运行特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 管内流体流量的影响
• 5.3 地埋管换热器管材的影响
• 5.4 钻孔深度的影响
• 5.5 地埋管换热器两支管间距的影响
• 5.6 钻孔间距的影响
• 5.7 本章小结
• 第6章 严寒地区土壤源热泵系统全年运行特性分析
• 6.1 引言
• 6.2 模拟对象
• 6.3 水/水热泵机组的数学模型
• 6.4 热泵机组的启停控制
• 6.5 全年运行特性模拟
• 6.5.1 供热工况运行特性分析
• 6.5.2 供冷工况运行特性分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历