季節(jié)性蓄熱太陽能-土壤耦合熱泵系統(tǒng)運(yùn)行特性及優(yōu)化.pdf

1、土壤耦合熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)實(shí)際應(yīng)用中，由于熱泵從土壤中的取熱量很大，系統(tǒng)長年運(yùn)行土壤溫度將逐年下降，熱泵的供暖性能也將逐年降低，最終導(dǎo)致熱泵出力不足。為此，本文基于太陽能移季利用的思想，提出將太陽能、土壤蓄熱和土壤耦合熱泵技術(shù)有機(jī)融合的季節(jié)性蓄熱太陽能-土壤耦合熱泵（SGCHPSS）系統(tǒng)，將非采暖季豐富的太陽能轉(zhuǎn)移至冬季使用，同時(shí)解決上述問題，從而為嚴(yán)寒地區(qū)供暖提供新方法。
　　為了了解該系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用效果和供暖性能，建立了

2、SGCHPSS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，初步給出系統(tǒng)的運(yùn)行方式和控制方法并進(jìn)行全年實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)太陽能土壤蓄熱運(yùn)行特性、系統(tǒng)供暖運(yùn)行特性和土壤全年溫變特性的實(shí)測(cè)和分析得出：太陽能季節(jié)性土壤蓄熱能夠有效提高土壤溫度，熱泵的COP達(dá)到4.29，系統(tǒng)全年的性能系數(shù)達(dá)到6.14，冬季供熱量中約87％來自于太陽能。
　　考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和時(shí)間的限制，對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步研究不能一一通過實(shí)驗(yàn)的方法實(shí)現(xiàn)，因此，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了該系統(tǒng)中各設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合

3、實(shí)驗(yàn)中給定的運(yùn)行方式和控制方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。通過將系統(tǒng)模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了系統(tǒng)模型的正確性。為了減少計(jì)算量，忽略了土壤換熱器管間的熱干擾，將多管土壤換熱器模型簡(jiǎn)化為單管土壤換熱器模型。為了驗(yàn)證簡(jiǎn)化的合理性，將單管模型與多管模型進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明：通過單管土壤換熱器模型計(jì)算得到的單個(gè)鉆井蓄熱量和取熱量與通過多管土壤換熱器模型計(jì)算得到的單個(gè)鉆井蓄熱量和取熱量的最大相對(duì)誤差分別為5.9%和7.9%，均小于10%，

4、在允許的范圍內(nèi)。
　　首先，利用建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型對(duì) SGCHPSS系統(tǒng)進(jìn)行變參數(shù)模擬研究，詳細(xì)分析了改變系統(tǒng)配置參數(shù)——太陽能集熱器面積、土壤換熱器埋管深度和熱泵制熱量對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。模擬結(jié)果表明：增加集熱器面積和熱泵容量都有利于提高熱泵和系統(tǒng)的供暖性能，減少運(yùn)行費(fèi)用，而土壤換熱器埋管深度并不是越深越好，當(dāng)埋管深度增加至一定程度時(shí)熱泵和系統(tǒng)的供暖性能提升的幅度很小，同時(shí)會(huì)使運(yùn)行費(fèi)用增加。
　　其次，分別對(duì)有季節(jié)性蓄熱

5、和無季節(jié)性蓄熱情況下系統(tǒng)運(yùn)行的可持續(xù)性進(jìn)行了分析，得出在嚴(yán)寒地區(qū)長年利用土壤耦合熱泵為建筑物供暖會(huì)出現(xiàn)熱泵出力不足，耗電量不斷增加，而室溫卻達(dá)不到要求的現(xiàn)象；而 SGCHPSS系統(tǒng)可以有效提高土壤溫度，使熱泵的供暖性能逐年提升，系統(tǒng)的耗電量也逐年減少，同時(shí)可以使土壤保持以年為周期的熱平衡。然后，針對(duì)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行方式存在的問題，提出三種新的可行的運(yùn)行方式，并與實(shí)驗(yàn)運(yùn)行方式進(jìn)行了對(duì)比分析，得出通過改變運(yùn)行方式可以提升系統(tǒng)的供暖性能，改變系統(tǒng)中

6、各設(shè)備的能量輸出比例；對(duì)供暖期進(jìn)行分階段改變運(yùn)行方式可以在節(jié)約電能的同時(shí)改善供暖效果。
　　最后，給出系統(tǒng)可能的系統(tǒng)配置和運(yùn)行方式，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)不同系統(tǒng)配置下的運(yùn)行方式進(jìn)行了優(yōu)化，得出不同系統(tǒng)配置下的供暖期最優(yōu)運(yùn)行方式，再以系統(tǒng)費(fèi)用年值為目標(biāo)函數(shù)對(duì)系統(tǒng)配置進(jìn)行了優(yōu)化，從而得到在實(shí)驗(yàn)條件下的系統(tǒng)最優(yōu)配置和最優(yōu)運(yùn)行方式。該優(yōu)化方法可以為 SGCHPSS系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。
　　通過本文的研究，證明了 SGCHPSS系統(tǒng)具