严寒地区小型太阳能土壤源热泵系统的耦合特性研究
发布时间：2021-07-27 05:18
人类社会的发展和进步主要依赖于能源,随着我国经济的快速发展,能源需求量与日俱增,这使得开发及利用可再生能源的趋势刻不容缓。目前在能源消耗方面,建筑能耗占我国总能耗的比例较大,一次能源利用效率较低,从而建筑节能变得尤为重要。太阳能是一种用之不竭的清洁能源,将其与土壤源热泵技术结合应用到严寒地区为建筑供暖、制冷及供应生活热水上,既弥补了两大清洁能源各自的不足,又实现了能源的高效利用。本文以哈尔滨市某一小型办公建筑为研究对象,依据太阳能-土壤源热泵耦合系统原理,将系统全年运行模式以季度进行划分。在传统运行方案（方案一）的基础上,提出优化后的方案,即方案二:冬季添加太阳能辅助供暖并进行土壤蓄热模式;夏季在供冷工况下机组间歇运行停止供冷时,增设太阳能进行土壤蓄热模式。全年生活热水用水以辅助加热器加热的方式作为保障,以免由于不利因素影响,导致生活热水无法加热到供热水需求。随后以面积热指标法初算建筑全年最大冷热负荷,进行系统设备选型及搭建实验台。以瞬态模拟软件TRNSYS为平台,按照设计方案选择合适的模块搭建耦合系统仿真模型,以实验为基础验证模型可靠性。主要从以下几个方面分别对系统运行方案的动态特性...
【文章来源】：哈尔滨商业大学黑龙江省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
哈尔滨商业大学硕士学位论文-16-进行选取，严寒地区典型城市哈尔滨为本次实验地点。哈尔滨位于中国东北地区，黑龙江省南部，处于东经125°42′~130°10′、北纬44°04′~46°40′之间，是国内纬度最高，气温最低的省会城市。其四季分明，冬季漫长寒冷，相比之下夏季显得短暂凉爽。春、秋季室外温度波动较大，属于过渡季节，时间短。哈尔滨属于中温带大陆性季风气候，全年平均降水量为569.1mm，在6~9月之间降水较频繁，夏季降水量占全年降水量的60%，在11月到次年1月之间降雪较频繁。全年四季具体分为4~6月份为春季，空气干燥，气温回升快且变化无常，温度升降幅度最大可达10℃左右。室外温度月变化量为8到10℃。7~8月份为夏季，室外空气含湿量大，多雨，7月平均气温为22.85℃，最高气温可达38℃，室外环境温度月变化量校9~10月为秋季，降雨量较夏季明显减少，昼夜温差大，9月份平均气温为14.71℃，10月份哈尔滨北部地区已经达到0℃，南部地区2到4℃。11月到次年的3月份为冬季，室外空气含湿量少，温度低，1月平均气温-18.73℃，历史上最低气温可达到-37.7℃。由此可以看出，哈尔滨地区在供能方面是以供暖为主，供冷为辅。哈尔滨地区土壤温度按照土壤原始温度场计算公式，结合《中国地温资料》[55]中的地质相关参数，可以得出不同深度8760h的哈尔滨原始岩土温度数据，绘制出如图2-2所示曲线图。从图中可以直观地看出哈尔滨全年浅层土壤温度在30m以下趋于定值，表2-1给出了地下30m、70m、100m土壤平均温度。图2-2全年不同深度土壤温度分布图表2-1不同深度土壤初始平均温度深度（m）初始平均温度(℃)308.52708.571008.6
哈尔滨商业大学硕士学位论文-18-是浅层土壤的温度受外界环境影响较大这种情况在严寒地区更为显著，冬季严寒地区室外空气干球温度最冷月可达到零下30℃，这样浅层土壤温度极易容易冻结，影响系统正常运行。地埋管采用垂直布置时占地面积小，地下土壤温度受地表面空气干球温度的影响小工作性能稳定，钻井深度一般为30~180m左右。垂直地埋管换热器又分为U型埋管换热器和套管式换热器，但套管式换热器的施工方面较复杂，因此在实际工程中较少被使用。目前垂直U型地埋管换热器的方式有两种，分为单U型和双U型，单U型埋管结构形式如下：图2-5埋管换热器结构图双U型埋管换热器安装复杂，系统运行中循环水泵的能源消耗量加大，支管较多相互缠绕影响换热效果。鉴于对上述问题的考量，本次实验采用的是竖直单U型PE100地埋管换热器。目前应用较为广泛的换热器埋深长度的计算方法有两种，其一，按照《GB50366-2009地源热泵系统工程技术规范》[58]中提到的的垂直埋管换热器长度计算公式进行计算，但该方法中设计到的参数较多且不容易获龋因此本文采用另一种计算方法，即工程概算法，该方法首先根据建筑设计总冷热负荷及热泵机组COP计算出冬夏季换热器的取放热量，随后确定埋管方式，再依据热响应实验测得的当地换热器单位孔深换热量求出所需换热器长度。这种方法既简单又可靠，比较适合应用于工程初期地埋管换热器的设计。具体计算公式为：c0cCOP1QQ1（2-1）h1hCOP1QQ1（2-2）式中COPc——热泵机组制冷性能系数；COPh——热泵机组制热性能系数；Qc——埋管向土壤中的放热量，kW；
【参考文献】：
期刊论文
[1]严寒地区土壤源热泵系统土壤温度变化分析研究[J]. 朱林,张贺,杨金刚. 吉林师范大学学报(自然科学版). 2020(01)
[2]太阳能供暖的有效集热量与有效太阳辐照度[J]. 司鹏飞,戎向阳,石利军,杨正武. 暖通空调. 2020(02)
[3]严寒地区太阳能跨季蓄热热泵供暖性能实验研究[J]. 金光,陈仁磊,郭少朋,郝楠,王冰. 建筑科学. 2019(12)
[4]内蒙古地区太阳能-地源热泵系统运行特性研究[J]. 金光,张宏葛,郭少朋,郝楠. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). 2019(05)
[5]R134a和R1234yf太阳能辅助热泵系统性能对比[J]. 秦帅波,郭晓颖,李华松. 低温与超导. 2019(10)
[6]严寒地区太阳能-地源热泵系统应用经济性分析研究[J]. 金光,陈正浩,郭少朋,郝楠,李雨宸. 可再生能源. 2019(09)
[7]季节性蓄热的太阳能/地源热泵耦合系统研究[J]. 韩静洋,张强武,马坤茹. 供热制冷. 2019(06)
[8]寒冷地区高速公路收费站太阳能土壤源热泵空调采暖系统设计[J]. 付文彪. 山西交通科技. 2019(03)
[9]太阳能-土壤源热泵联合供暖系统优化研究[J]. 刘杰,万鹏,郭健翔,周恩泽,郭炜. 热科学与技术. 2019(02)
[10]上海地区太阳能-地源热泵冬季联合运行试验研究[J]. 崔云翔,蔡颖玲. 流体机械. 2019(02)
硕士论文
[1]太阳能跨季节储存地下水箱蓄热特性的模拟研究[D]. 李霞.重庆大学 2017
[2]基于TRNSYS的太阳能耦合土壤源热泵系统仿真研究[D]. 尹丽媛.太原理工大学 2013
本文编号：3305164
【文章来源】：哈尔滨商业大学黑龙江省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线图
哈尔滨商业大学硕士学位论文-16-进行选取，严寒地区典型城市哈尔滨为本次实验地点。哈尔滨位于中国东北地区，黑龙江省南部，处于东经125°42′~130°10′、北纬44°04′~46°40′之间，是国内纬度最高，气温最低的省会城市。其四季分明，冬季漫长寒冷，相比之下夏季显得短暂凉爽。春、秋季室外温度波动较大，属于过渡季节，时间短。哈尔滨属于中温带大陆性季风气候，全年平均降水量为569.1mm，在6~9月之间降水较频繁，夏季降水量占全年降水量的60%，在11月到次年1月之间降雪较频繁。全年四季具体分为4~6月份为春季，空气干燥，气温回升快且变化无常，温度升降幅度最大可达10℃左右。室外温度月变化量为8到10℃。7~8月份为夏季，室外空气含湿量大，多雨，7月平均气温为22.85℃，最高气温可达38℃，室外环境温度月变化量校9~10月为秋季，降雨量较夏季明显减少，昼夜温差大，9月份平均气温为14.71℃，10月份哈尔滨北部地区已经达到0℃，南部地区2到4℃。11月到次年的3月份为冬季，室外空气含湿量少，温度低，1月平均气温-18.73℃，历史上最低气温可达到-37.7℃。由此可以看出，哈尔滨地区在供能方面是以供暖为主，供冷为辅。哈尔滨地区土壤温度按照土壤原始温度场计算公式，结合《中国地温资料》[55]中的地质相关参数，可以得出不同深度8760h的哈尔滨原始岩土温度数据，绘制出如图2-2所示曲线图。从图中可以直观地看出哈尔滨全年浅层土壤温度在30m以下趋于定值，表2-1给出了地下30m、70m、100m土壤平均温度。图2-2全年不同深度土壤温度分布图表2-1不同深度土壤初始平均温度深度（m）初始平均温度(℃)308.52708.571008.6
哈尔滨商业大学硕士学位论文-18-是浅层土壤的温度受外界环境影响较大这种情况在严寒地区更为显著，冬季严寒地区室外空气干球温度最冷月可达到零下30℃，这样浅层土壤温度极易容易冻结，影响系统正常运行。地埋管采用垂直布置时占地面积小，地下土壤温度受地表面空气干球温度的影响小工作性能稳定，钻井深度一般为30~180m左右。垂直地埋管换热器又分为U型埋管换热器和套管式换热器，但套管式换热器的施工方面较复杂，因此在实际工程中较少被使用。目前垂直U型地埋管换热器的方式有两种，分为单U型和双U型，单U型埋管结构形式如下：图2-5埋管换热器结构图双U型埋管换热器安装复杂，系统运行中循环水泵的能源消耗量加大，支管较多相互缠绕影响换热效果。鉴于对上述问题的考量，本次实验采用的是竖直单U型PE100地埋管换热器。目前应用较为广泛的换热器埋深长度的计算方法有两种，其一，按照《GB50366-2009地源热泵系统工程技术规范》[58]中提到的的垂直埋管换热器长度计算公式进行计算，但该方法中设计到的参数较多且不容易获龋因此本文采用另一种计算方法，即工程概算法，该方法首先根据建筑设计总冷热负荷及热泵机组COP计算出冬夏季换热器的取放热量，随后确定埋管方式，再依据热响应实验测得的当地换热器单位孔深换热量求出所需换热器长度。这种方法既简单又可靠，比较适合应用于工程初期地埋管换热器的设计。具体计算公式为：c0cCOP1QQ1（2-1）h1hCOP1QQ1（2-2）式中COPc——热泵机组制冷性能系数；COPh——热泵机组制热性能系数；Qc——埋管向土壤中的放热量，kW；
【参考文献】：
期刊论文
[1]严寒地区土壤源热泵系统土壤温度变化分析研究[J]. 朱林,张贺,杨金刚. 吉林师范大学学报(自然科学版). 2020(01)
[2]太阳能供暖的有效集热量与有效太阳辐照度[J]. 司鹏飞,戎向阳,石利军,杨正武. 暖通空调. 2020(02)
[3]严寒地区太阳能跨季蓄热热泵供暖性能实验研究[J]. 金光,陈仁磊,郭少朋,郝楠,王冰. 建筑科学. 2019(12)
[4]内蒙古地区太阳能-地源热泵系统运行特性研究[J]. 金光,张宏葛,郭少朋,郝楠. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). 2019(05)
[5]R134a和R1234yf太阳能辅助热泵系统性能对比[J]. 秦帅波,郭晓颖,李华松. 低温与超导. 2019(10)
[6]严寒地区太阳能-地源热泵系统应用经济性分析研究[J]. 金光,陈正浩,郭少朋,郝楠,李雨宸. 可再生能源. 2019(09)
[7]季节性蓄热的太阳能/地源热泵耦合系统研究[J]. 韩静洋,张强武,马坤茹. 供热制冷. 2019(06)
[8]寒冷地区高速公路收费站太阳能土壤源热泵空调采暖系统设计[J]. 付文彪. 山西交通科技. 2019(03)
[9]太阳能-土壤源热泵联合供暖系统优化研究[J]. 刘杰,万鹏,郭健翔,周恩泽,郭炜. 热科学与技术. 2019(02)
[10]上海地区太阳能-地源热泵冬季联合运行试验研究[J]. 崔云翔,蔡颖玲. 流体机械. 2019(02)
硕士论文
[1]太阳能跨季节储存地下水箱蓄热特性的模拟研究[D]. 李霞.重庆大学 2017
[2]基于TRNSYS的太阳能耦合土壤源热泵系统仿真研究[D]. 尹丽媛.太原理工大学 2013
本文编号：3305164
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