西北地區(qū)太陽能與熱泵耦合的土壤跨季熱響應(yīng)研究.pdf

1、我國西北多數(shù)采暖地區(qū)的太陽能資源豐富,建筑冷負(fù)荷較小,建筑熱負(fù)荷相對較大,適合應(yīng)用太陽能與土壤源熱泵耦合系統(tǒng)。一方面,太陽能蓄熱可以有效改善土壤的熱量失衡問題;另一方面,土壤源熱泵可以補(bǔ)償太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性缺點(diǎn)。本文基于耦合系統(tǒng),建立土壤蓄、釋熱過程的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型,通過對土壤熱響應(yīng)進(jìn)行研究,分析系統(tǒng)全年和多年運(yùn)行過程中土壤溫度場的變化規(guī)律,進(jìn)而通過土壤熱平衡分析,得到西北地區(qū)在滿足土壤熱平衡時(shí)最佳的鉆孔累積蓄熱量與累積釋熱量

2、的比值,以及不同太陽能資源區(qū)適合應(yīng)用耦合系統(tǒng)的最大建筑冷熱負(fù)荷比值。
　　首先通過瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算,分析系統(tǒng)運(yùn)行全年和多年過程中土壤的熱響應(yīng)特性;研究在不同蓄熱熱流和不同熱流密度下的土壤熱響應(yīng)特性;選取土壤溫度場的代表溫度,用其評價(jià)土壤溫度場的整體恢復(fù)情況;然后對土壤熱平衡的影響因素進(jìn)行綜合分析,分別得出建筑冷熱負(fù)荷比值、鉆孔累積蓄熱量與累積釋熱量的比值的表達(dá)式;根據(jù)我國不同的建筑熱工分區(qū)和太陽能資源分布情況,選取西北地區(qū)9個(gè)典型城市

3、,即西安、榆林、延安、哈密、烏魯木齊、蘭州、酒泉、西寧和銀川,針對各典型城市不同的建筑冷熱負(fù)荷比和太陽能保證率,以土壤溫度恢復(fù)率為衡量指標(biāo),確定系統(tǒng)運(yùn)行模式中最佳的鉆孔累積蓄熱量與累積釋熱量的比值,以滿足全年土壤溫度場的熱平衡的要求;同時(shí)基于土壤熱平衡,確定西北五省不同太陽能資源區(qū)適合應(yīng)用太陽能與土壤源熱泵耦合系統(tǒng)的最大建筑冷熱負(fù)荷比值。得出以下主要結(jié)論:
　　(1)在全年夏、秋、冬、春季四個(gè)階段中,鉆孔壁溫均呈現(xiàn)出前10天內(nèi)波動(dòng)

4、最大的趨勢。在系統(tǒng)運(yùn)行10年的過程中,土壤沿徑向的溫度差異始終很小;隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加,土壤沿軸向的溫度差異逐漸增大,但是土壤溫度升高速率不大。
　　(2)對于鉆孔50m深的熱泵土壤換熱器系統(tǒng),深度約20m處土壤的平均溫度可近似代表整個(gè)土壤溫度場全年恢復(fù)的平均水平。
　　(3)通過土壤熱平衡分析得到,夏、冬季鉆孔熱流密度的比值取決于建筑的冷熱負(fù)荷比,土壤源熱泵系統(tǒng)的制冷能效比、制熱性能系數(shù)和太陽能保證率。
　　(4

5、)鉆孔累積蓄熱量與累積釋熱量的比值決定了土壤溫度場的恢復(fù)程度,當(dāng)其值為0.88時(shí),可基本滿足西北各典型城市土壤全年熱平衡的要求。
　　(5)在土壤熱平衡的基礎(chǔ)上,計(jì)算獲得了該耦合系統(tǒng)適合在西北不同太陽能資源區(qū)應(yīng)用的最大建筑冷熱負(fù)荷比值。西北五省應(yīng)用該耦合系統(tǒng)的適合程度從高到低排序依次為:青海,新疆,甘肅,寧夏,陜西。
　　本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn):結(jié)合耦合系統(tǒng),重新給定了土壤溫度恢復(fù)率的公式;通過瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算,選取了土壤溫度場的代表