土壤源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)的運(yùn)行模擬與換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、土壤源熱泵系統(tǒng)是建筑領(lǐng)域可再生能源利用的重要形式之一，該系統(tǒng)以大地作為建筑空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。地埋管換熱器換熱性能的特殊性和較高的初投資，是制約土壤源熱泵系統(tǒng)推廣應(yīng)用的主要“瓶頸”。保證土壤源熱泵系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中最關(guān)鍵的問題之一。
　　 在土壤源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中，土壤中熱(冷)量的累積效應(yīng)使得系統(tǒng)的可靠性受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。這客觀上要求在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)在其壽命周期內(nèi)的運(yùn)行特

2、性應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地做出預(yù)判。因此，對(duì)于土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行壽命周期內(nèi)動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性模擬是非常必要的。
　　 地埋管換熱器是土壤源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分，本文首先研究了垂直u型地埋管換熱器的數(shù)學(xué)模型，以保證系統(tǒng)模擬的計(jì)算速度和準(zhǔn)確性。對(duì)于單鉆孔地埋管換熱器，用格林函數(shù)法計(jì)算鉆孔外傳熱,實(shí)現(xiàn)了計(jì)算準(zhǔn)確度和計(jì)算速度的雙重提高；同時(shí)，在與有限長(zhǎng)線熱源模型(FLSM)進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，引入DST數(shù)值模型計(jì)算地埋管換熱器鉆孔群的換熱特性。通過分別

3、建立熱泵機(jī)組、循環(huán)水泵和垂直U型地埋管換熱器的數(shù)學(xué)模型，組成了土壤源熱泵系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。該模型以全年逐時(shí)動(dòng)態(tài)建筑冷(熱)負(fù)荷作為輸入，土壤物性作為邊界條件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)全壽命周期(20年)內(nèi)的循環(huán)水溫、土壤溫度和能耗的逐時(shí)模擬。
　　 為了驗(yàn)證土壤源熱泵系統(tǒng)模型，對(duì)某土壤源熱泵工程供冷季和供熱季的運(yùn)行特性進(jìn)行了實(shí)測(cè)。通過源側(cè)水溫、流量和能耗實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比，本文建立的系統(tǒng)模型和各部件模型顯示了較高的計(jì)算準(zhǔn)確性。以該系統(tǒng)模型為基

4、礎(chǔ)，通過系統(tǒng)逐時(shí)運(yùn)行模擬可實(shí)現(xiàn)土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性的準(zhǔn)確預(yù)判。
　　 以土壤源熱泵系統(tǒng)模擬為平臺(tái)，在熱泵系統(tǒng)的全壽命周期內(nèi)，對(duì)地埋管換熱器的組合形式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)熱泵機(jī)組的最高進(jìn)水溫度或最低進(jìn)水溫度為控制目標(biāo)，通過系統(tǒng)優(yōu)化軟件Cenopt和熱泵系統(tǒng)模型的耦合，對(duì)地埋管換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定針對(duì)某一建筑負(fù)荷的最優(yōu)地埋管換熱器組合形式。在此基礎(chǔ)上，通過計(jì)算最優(yōu)化系統(tǒng)的全壽命周期成本(LCC)，分析了建筑負(fù)荷和

5、設(shè)定為優(yōu)化目標(biāo)的熱泵機(jī)組最高進(jìn)水溫度對(duì)系統(tǒng)LCC的影響。
　　 最后，結(jié)合具體實(shí)例，對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行應(yīng)用分析。選取北京、青島、武漢和重慶四個(gè)地區(qū)的教學(xué)樓、辦公樓、賓館和住宅樓進(jìn)行土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熟器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，分別選定單U型和雙U型地埋管換熱器,可得到不同地埋管形式對(duì)應(yīng)的鉆孔尺寸最優(yōu)值。由于建筑功能和所處地區(qū)氣候條件的差異，對(duì)比各最優(yōu)系統(tǒng)的LCC值發(fā)現(xiàn)，雙U型地埋管換熱器并不一定

6、比單U型更具優(yōu)勢(shì)。通過地埋管換熱囂優(yōu)化實(shí)例，為土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性提供了有利參考，證明了全壽命周期內(nèi)的地埋管換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)用性；LCC值的計(jì)算預(yù)測(cè)了熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，為土壤源熱泵系統(tǒng)的方案優(yōu)選、控制策略評(píng)估和投資控制提供了有力保證。
　　 本文對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)建模、驗(yàn)證和地埋管換熱器優(yōu)化進(jìn)行了較為全面的研究，完善了土壤源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，從全壽命周期成本LCC值的角度分析了土壤源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性