地源热泵系统优化设计研究及应用软件研发

论文摘要

地源热泵作为一种节能、高效和环保的空调系统,在公共、民用建筑中的应用越来越广泛。对于冬夏季建筑冷热负荷不等的地区,地源热泵地埋管换热器在全年中排入地下土壤的热量和从地下土壤中提取的热量差异很大。如重庆等夏热冬冷地区,由于建筑物夏季的冷负荷大于冬季的热负荷,容易出现地下热量累积从而使得地埋管周围土壤温度随运行时间的增加缓慢升高,引起热泵系统性能下降的情况。本文主要针对夏热冬冷地区垂直地埋管地源热泵系统在全年动态负荷作用下地下温度场取热、放热不均衡的问题进行相关的分析和研究,确定垂直埋管换热器准确的传热模型,并在此基础上建立地源热泵系统设计和模拟计算方法,提出地埋管换热器分区调控策略,寻求系统的优化设计方案。为了较好进行分析和模拟,本文借助Visual Studio开发平台,采用Visual C#语言编制了涵盖地埋管换热器设计计算、地源热泵系统动态模拟、岩土热响应测试计算和地埋管换热器分区调控模拟功能的可视化应用软件。首先分析现有的地埋管换热器传热模型,编制地埋管换热器设计计算模块,结合实际工程进行设计计算,以垂直双U型地埋管换热器为分析对象,对目前几种有典型代表性的钻孔热阻计算方法进行比较分析,提出最优的地埋管换热器设计模型。接着以钻孔外有限长线热源模型、钻孔内准三维模型为基础,建立建筑动态负荷与地埋管换热器动态性能的耦合关系,编制地源热泵系统动态模拟模块,比较传统式与复合式地源热泵系统在动态负荷作用下1年以及10年地下温度场的变化情况,进行系统性能评价,分析地源热泵系统冷热不平衡率对系统生命周期的影响。按照《地源热泵系统工程技术规范》提出的线热源理论,基于参数估计法编制岩土热响应测试计算模块,结合实际工程地源热泵系统热响应测试实验,分析地埋管回路中循环水温度随时间的变化规律。并以理论计算得到的流体平均温度和现场实测的流体平均温度的方差为目标函数,对岩土热物性进行计算分析。最后提出了地埋管换热器三种分区控制策略:负荷控制法、时间控制法和水温控制法,编制地埋管换热器分区调控模块,对每种控制策略进行全年动态模拟,分析不同运行方式下的全年地下温度场变化和能耗情况,寻求最优的分区控制设计方案。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 地源热泵系统技术
• 1.1.2 地源热泵系统特点
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 地源热泵系统应用软件
• 1.3.1 EED 设计软件
• 1.3.2 GLD 设计软件
• 1.3.3 Geo-Star 软件
• 1.4 课题研究内容和意义
• 1.4.1 课题研究内容
• 1.4.2 课题研究意义
• 2 地埋管换热器设计研究
• 2.1 钻孔内传热模型
• 2.1.1 一维传热模型
• 2.1.2 二维传热模型
• 2.1.3 准三维传热模型
• 2.2 钻孔外传热模型
• 2.2.1 无限长线热源模型
• 2.2.2 无限长柱热源模型
• 2.2.3 有限长线热源模型
• 2.3 地埋管换热器设计模块
• 2.3.1 开发环境
• 2.3.2 计算流程
• 2.3.3 软件界面
• 2.4 工程实例分析
• 2.4.1 工程概况
• 2.4.2 工程参数确定
• 2.4.3 热阻计算研究
• 3 系统动态运行特性模拟
• 3.1 建筑动态负荷模拟
• 3.1.1 DeST 软件介绍
• 3.1.2 建筑负荷模拟
• 3.2 温度响应基本方程
• 3.2.1 阶跃热流下的温度响应
• 3.2.2 变负荷下的温度响应
• 3.2.3 埋管换热量新计算方法
• 3.3 动态特性模拟模块
• 3.3.1 计算流程
• 3.3.2 软件界面
• 3.3.3 工程参数确定
• 3.4 热泵系统动态特性模拟
• 3.4.1 传统形系统模拟
• 3.4.2 复合式系统模拟
• 4 岩土热物性研究
• 4.1 热响应测试计算模块
• 4.1.1 数学模型
• 4.1.2 计算流程
• 4.1.3 软件界面
• 4.2 工程应用
• 4.2.1 热响应测试装置
• 4.2.2 现场热响应测试
• 4.3 热响应数据分析
• 4.3.1 水温响应分析
• 4.3.2 岩土热物性分析
• 5 地埋管换热器运行策略研究
• 5.1 地埋管换热器分区运行模块
• 5.1.1 控制策略
• 5.1.2 计算流程
• 5.1.3 软件界面
• 5.2 变频水泵模型
• 5.2.1 单台水泵变频
• 5.2.2 恒温差控制法
• 5.3 埋管换热器分区调控模拟
• 5.3.1 负荷控制策略
• 5.3.2 时间控制策略
• 5.3.3 水温控制策略
• 5.3.4 系统能耗模拟
• 6 总结及展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 建议及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录