太陽能-土壤源熱泵雙熱源耦合特性及地下蓄能傳熱強化研究.pdf

1、隨著社會進步和人們生活水平的提高，能源的重要性日益凸顯，社會的可持續(xù)發(fā)展要求能源具備可持續(xù)利用的基本特點。太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)充分利用清潔太陽能作為系統(tǒng)主要熱源之一，具有單獨土壤源熱泵系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過實驗研究、TRNSYS仿真及MATLAB模擬相結(jié)合的方法，對太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)雙熱源耦合特性及地下蓄能傳熱強化進行了分析和研究。
　　實驗方面，利用太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)實驗臺進行了單獨土壤源

2、熱泵供熱、太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合供熱、水箱蓄熱運行和土壤蓄熱運行實驗。分析比較了太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)在各實驗工況下機組性能系數(shù)、埋管進出口水溫變化、系統(tǒng)熱量關(guān)系、太陽能集熱效率及雙熱源的耦合特性，得到了不同負荷場所適宜運行的工況。實驗表明:太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供熱運行模式中，太陽能和土壤源是耦合的。實驗條件下，該模式工況一和工況二機組平均COP分別為3.61和3.48，太陽能平均集熱效率分別為51.5和38.2％。水箱蓄熱運行模

3、式可顯著提高機組的性能系數(shù)，水箱蓄熱工況二比工況一埋管出口溫度高出1.85℃，土壤溫降更小，更加有利于系統(tǒng)第二天運行。土壤蓄熱運行模式有助于土壤溫度恢復(fù)，工況一與工況二土壤溫度恢復(fù)率分別為56.8和13.82％，太陽能平均集熱效率分別為47.8和41.5％。綜合分析實驗結(jié)果，對于僅需夜間供熱且供熱負荷較大場所，水箱蓄熱工況二和土壤蓄熱工況二較為適宜，兩種工況機組平均COP分別可達3.91和3.8;在白天全天需供熱場所，聯(lián)合運行工況一為推

4、薦工況。
　　理論方面，本文基于TRNSYS瞬態(tài)模擬平臺，建立了太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)仿真模型，并進行了不同工況10年的動態(tài)模擬計算，分析了各模式下土壤平均溫度、機組性能系數(shù)、太陽能集熱效率等隨時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明:在以供熱為主的場所，太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)能夠較好保持土壤熱平衡，10年后土壤源單獨運行、聯(lián)合運行、水箱蓄熱運行和交替運行土壤溫度下降率分別為29.1、13.1、17.1和8.6％。整個供暖期內(nèi)，土壤源單獨運行、聯(lián)

5、合運行、水箱蓄熱運行和交替運行機組平均COP分別為4.5、4.87、4.7和4.78，太陽能平均集熱效率分別為59.4、44.8和62.6％，太陽能所占負荷比分別為45.1、19.3和60.4％。對太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合運行工況進行優(yōu)化分析可得:模擬條件下系統(tǒng)適宜集熱器面積、水箱容積以及埋管數(shù)量分別為140m2、2.8m3和9個。
　　為進一步探討太陽能-U型埋管地下蓄能與釋能過程中的強化傳熱措施，利用MATLAB軟件編制了地下蓄

6、能傳熱數(shù)學模型，研究了土壤類型、蓄能進口溫度、蓄能分配模式對強化土壤蓄熱量的影響規(guī)律。結(jié)果表明:隨熱擴散率值增大，土壤溫度趨于一致能力增大，更加有利于土壤蓄熱。隨著蓄熱進口水溫增大，埋管蓄熱區(qū)域土壤溫度和蓄熱量升高。外低溫內(nèi)高溫的非均勻蓄熱模式在蓄熱量上并不占明顯優(yōu)勢，但該蓄熱模式可明顯減弱熱量的擴散，提高蓄熱體的平均溫度。全年取放熱運行后，熱擴散率最大的花崗巖土壤中心溫度最低，其次是砂土和黏土。
　　本文的研究工作為太陽能-土壤