嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管運(yùn)行特性研究.pdf

1、土壤源熱泵是一項(xiàng)利用可再生能源進(jìn)行供暖供冷的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的提高，近年來(lái)該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注。嚴(yán)寒地區(qū)土壤初始溫度低，土壤源熱泵冬季運(yùn)行時(shí)地埋管換熱器周?chē)寥廊菀壮霈F(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，土壤凍結(jié)后導(dǎo)熱性能增強(qiáng)，同時(shí)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(guān)于這方面的研究很少，對(duì)于土壤凍結(jié)對(duì)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(shuō)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(jié)現(xiàn)象后，由于相變潛熱的釋放和物性參數(shù)的變化使導(dǎo)熱控制方程具有非線性的特點(diǎn)。盡管在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用土壤源熱泵會(huì)由于冬夏負(fù)荷不平衡降低系統(tǒng)的整體性能，但對(duì)于一些遠(yuǎn)離城市熱網(wǎng)而且對(duì)污染物排放有較高要求的區(qū)域，應(yīng)用土壤源熱泵仍具有一定的合理性，因此本文將對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器運(yùn)行特性進(jìn)行相關(guān)的研究。
　　在借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)地埋管換熱器傳熱模型的基礎(chǔ)上，分析了嚴(yán)寒地區(qū)地埋管換熱器的傳熱機(jī)理，針對(duì)土壤凍結(jié)后熱傳導(dǎo)方程非線性的特點(diǎn)，對(duì)

3、地埋管換熱器的管道截面進(jìn)行了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的修正條件，并在直角坐標(biāo)系下建立了考慮土壤凍結(jié)的地埋管換熱器的數(shù)學(xué)模型，其中對(duì)于土壤的相變采用顯熱容法處理，該模型考慮了進(jìn)出水支管傳熱的不對(duì)稱性，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)存在非線性項(xiàng)的地埋管換熱器管群溫度場(chǎng)進(jìn)行整體求解，為模擬嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行特性奠定了基礎(chǔ)。
　　建立了地埋管換熱器低溫取熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)對(duì)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行測(cè)試的結(jié)果，對(duì)嚴(yán)寒

4、地區(qū)地埋管換熱器的低溫取熱特性進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本文對(duì)管道截面轉(zhuǎn)換后所建立的地埋管換熱器的數(shù)學(xué)模型。
　　在所建立的考慮土壤凍結(jié)的地埋管換熱器傳熱模型的基礎(chǔ)上，模擬研究了不同進(jìn)口流體溫度、土壤初始溫度、土壤類型和土壤含水量對(duì)地埋管換熱器周?chē)寥纼鼋Y(jié)特性的影響，并進(jìn)一步分析了土壤凍結(jié)對(duì)地埋管換熱器換熱量的影響，為在實(shí)際工程中準(zhǔn)確考慮土壤凍結(jié)對(duì)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(jié)的地埋管換熱器管群傳熱模型，對(duì)影響地埋管換熱器運(yùn)行特性的管內(nèi)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(jìn)行了分析；根據(jù)對(duì)管群中不同位置地埋管換熱器的換熱能力以及管群長(zhǎng)期單季節(jié)運(yùn)行時(shí)的土壤溫度場(chǎng)和換熱量進(jìn)行的計(jì)算分析，給出了嚴(yán)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(yán)寒地區(qū)地埋管換熱器管群的設(shè)計(jì)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(duì)嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的全年運(yùn)行特性進(jìn)行了模擬研究，分析了采暖期地埋管換熱器的進(jìn)出口流體溫度變化趨勢(shì)、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(duì)供暖期結(jié)束后土壤溫度較低的特點(diǎn)，對(duì)夏季采用土壤源熱泵系統(tǒng)供冷和不啟動(dòng)熱泵機(jī)組利用土壤冷源直接供冷的運(yùn)行模式進(jìn)行了比較，分析了兩種不同模式的運(yùn)行特性。此外，根據(jù)對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)土壤熱泵源系統(tǒng)全年土壤取放熱量的計(jì)算，分析了嚴(yán)寒地區(qū)土壤冬夏取放熱量的不平衡率，為嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)的