太陽(yáng)能土壤蓄熱供暖(冷)系統(tǒng)埋地?fù)Q熱器性能研究.pdf

1、太陽(yáng)能-土壤源熱泵(Solar-Ground Source Heat Pump, SGSHP)因其利用太陽(yáng)輻射熱和可再生的淺層土壤熱，被認(rèn)為是21世紀(jì)一項(xiàng)最具有發(fā)展前途的、具有節(jié)能和環(huán)保意義的制冷空調(diào)技術(shù)。該系統(tǒng)是以太陽(yáng)能作為主要熱源的熱泵系統(tǒng)。制約太陽(yáng)能-土壤源熱泵技術(shù)發(fā)展的因素很多，其中，太陽(yáng)能的蓄存、地下埋管換熱器換熱和土壤熱平衡問(wèn)題一直是太陽(yáng)能土壤源熱泵技術(shù)的研究關(guān)鍵。
　　本文在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能土壤源熱泵技術(shù)與蓄能技術(shù)

2、的基礎(chǔ)上，將二者有機(jī)地結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能季節(jié)性土壤蓄熱供暖(冷)系統(tǒng)(Heating(Cooling) System of Solar Seasonal Soil Storage)，該系統(tǒng)主要是由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、土壤蓄熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、地板輻射末端裝置組成。本文以該系統(tǒng)的地下埋管換熱器作為研究對(duì)象，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究：
　　首先，利用有限單元法建立了土壤換熱器三維數(shù)理模型，模擬了系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行兩年土壤溫度場(chǎng)的變化及恢

3、復(fù)情況。運(yùn)行結(jié)束，土壤溫度比初始值高了將近1℃。該系統(tǒng)特別適合用于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季：太陽(yáng)能做為主要熱源，土壤源熱泵做為輔助熱源；夏季：土壤換熱器直接供冷。土壤一年三季(春、夏和秋)進(jìn)行長(zhǎng)期蓄熱，這樣不僅保持了土壤的熱平衡，還為下一個(gè)冬季更好地供暖提供了保證。
　　其次，在所建立的數(shù)理模型基礎(chǔ)上，本文首先模擬了單根U型管換熱器的運(yùn)行特性，研究了以年為周期，系統(tǒng)運(yùn)行兩年的不同深度(5m、30m和50m)土壤的溫度變化情況、不同運(yùn)行工況下

4、U型管換熱器對(duì)周?chē)寥罍囟鹊挠绊?、不同土壤熱物性和不同U型管管材對(duì)周?chē)寥罍囟鹊挠绊憽?br>　　再次，又模擬了多根U型管換熱器的運(yùn)行特性，從土壤熱物性、埋管管材、埋管間距及埋管排列方式四個(gè)方面分析了影響土壤與埋管換熱器之間的換熱效果。其中，埋管管材對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的太陽(yáng)能季節(jié)性土壤蓄熱供暖(冷)系統(tǒng)影響不是很大。在選擇管材類(lèi)型時(shí)，可從經(jīng)濟(jì)上考慮，本文選擇了價(jià)格低廉的普通聚乙烯管材。
　　另外，對(duì)換熱影響最大的是埋管排列方式。四種排列方

5、式中圓形的排列方式換熱器換熱能力最強(qiáng)，其次是多邊形和正方形排列方式，最差的為矩形排列。換熱能力強(qiáng)的排列方式，冬季換熱器日取熱量大，出水溫度高；但夏季出水溫度過(guò)低，不利于地板輻射供冷。因此，在選擇換熱器排列方式時(shí)，本文采用的是矩形排列，雖然冬季換熱效果沒(méi)有前三種好，但完全可以滿(mǎn)足供暖要求，夏季又符合地板輻射供冷水溫的要求。
　　最后，為了考察太陽(yáng)能季節(jié)性土壤蓄熱供暖(冷)系統(tǒng)的運(yùn)行特性，同時(shí)驗(yàn)證本文所建數(shù)學(xué)模型的正確性，在哈爾濱市松

6、北區(qū)建立了太陽(yáng)能季節(jié)性土壤蓄熱供暖(冷)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示范工程。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是把太陽(yáng)能熱泵、土壤蓄熱及地板輻射系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合在一起的供暖(冷)空調(diào)系統(tǒng)，于2007年11月開(kāi)始運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)測(cè)得：供暖中期平均供暖性能系數(shù)為5.01，供暖末期供暖性能系數(shù)可達(dá)13.02。在相同(或近似)的條件下，通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)值和模擬值吻合較好，驗(yàn)證了本文建立的數(shù)學(xué)模型的正確性和可靠性。
　　太陽(yáng)能季節(jié)性土壤蓄熱供暖(冷)系統(tǒng)是一種新型節(jié)能、環(huán)保的供暖(冷)系統(tǒng)，由