嚴寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管運行特性研究.pdf

1、土壤源熱泵是一項利用可再生能源進行供暖供冷的節(jié)能環(huán)保技術，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的提高，近年來該項技術在國內外備受關注。嚴寒地區(qū)土壤初始溫度低，土壤源熱泵冬季運行時地埋管換熱器周圍土壤容易出現(xiàn)凍結現(xiàn)象，土壤凍結后導熱性能增強，同時水分相變釋放出的潛熱量很大，這些均有利于提高地埋管換熱器的換熱量，但關于這方面的研究很少，對于土壤凍結對地埋管換熱器換熱量的影響有多大，現(xiàn)階段并未有明確的說明；而且現(xiàn)有的地埋管換熱器的傳熱模型大都未考慮出現(xiàn)土壤凍

2、結現(xiàn)象后，由于相變潛熱的釋放和物性參數(shù)的變化使導熱控制方程具有非線性的特點。盡管在嚴寒地區(qū)應用土壤源熱泵會由于冬夏負荷不平衡降低系統(tǒng)的整體性能，但對于一些遠離城市熱網而且對污染物排放有較高要求的區(qū)域，應用土壤源熱泵仍具有一定的合理性，因此本文將對嚴寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器運行特性進行相關的研究。
　　在借鑒國內外有關地埋管換熱器傳熱模型的基礎上，分析了嚴寒地區(qū)地埋管換熱器的傳熱機理，針對土壤凍結后熱傳導方程非線性的特點，對

3、地埋管換熱器的管道截面進行了轉換，采用方形截面的管道代替垂直U型埋管換熱器的圓管，給出了管道截面轉換的修正條件，并在直角坐標系下建立了考慮土壤凍結的地埋管換熱器的數(shù)學模型，其中對于土壤的相變采用顯熱容法處理，該模型考慮了進出水支管傳熱的不對稱性，并可實現(xiàn)對存在非線性項的地埋管換熱器管群溫度場進行整體求解，為模擬嚴寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的運行特性奠定了基礎。
　　建立了地埋管換熱器低溫取熱實驗系統(tǒng)，根據(jù)對系統(tǒng)連續(xù)運行測試的結果，對嚴寒

4、地區(qū)地埋管換熱器的低溫取熱特性進行了分析，得到了連續(xù)低溫取熱工況下地埋管換熱器的單位深度換熱量，并利用實驗數(shù)據(jù)驗證了本文對管道截面轉換后所建立的地埋管換熱器的數(shù)學模型。
　　在所建立的考慮土壤凍結的地埋管換熱器傳熱模型的基礎上，模擬研究了不同進口流體溫度、土壤初始溫度、土壤類型和土壤含水量對地埋管換熱器周圍土壤凍結特性的影響，并進一步分析了土壤凍結對地埋管換熱器換熱量的影響，為在實際工程中準確考慮土壤凍結對地埋管換熱器換熱量的影響

5、提供了重要的理論支持。
　　采用考慮土壤凍結的地埋管換熱器管群傳熱模型，對影響地埋管換熱器運行特性的管內流體的流量、管材、鉆孔的深度、地埋管換熱器兩支管的間距、鉆孔間距等因素進行了分析；根據(jù)對管群中不同位置地埋管換熱器的換熱能力以及管群長期單季節(jié)運行時的土壤溫度場和換熱量進行的計算分析，給出了嚴寒地區(qū)地埋管換熱器推薦鉆孔間距，該部分工作有助于在嚴寒地區(qū)地埋管換熱器管群的設計中選取合理的參數(shù)。
　　以哈爾濱地區(qū)一幢單體建筑為例

6、，對嚴寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的全年運行特性進行了模擬研究，分析了采暖期地埋管換熱器的進出口流體溫度變化趨勢、地埋管換熱器的取熱量，以及土壤源熱泵系統(tǒng)的供暖性能系數(shù)；針對供暖期結束后土壤溫度較低的特點，對夏季采用土壤源熱泵系統(tǒng)供冷和不啟動熱泵機組利用土壤冷源直接供冷的運行模式進行了比較，分析了兩種不同模式的運行特性。此外，根據(jù)對嚴寒地區(qū)土壤熱泵源系統(tǒng)全年土壤取放熱量的計算，分析了嚴寒地區(qū)土壤冬夏取放熱量的不平衡率，為嚴寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的