土壤源熱泵系統(tǒng)全壽命周期內的運行模擬與換熱器優(yōu)化設計研究.pdf

1、土壤源熱泵系統(tǒng)是建筑領域可再生能源利用的重要形式之一，該系統(tǒng)以大地作為建筑空調系統(tǒng)的冷熱源，實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運行。地埋管換熱器換熱性能的特殊性和較高的初投資，是制約土壤源熱泵系統(tǒng)推廣應用的主要“瓶頸”。保證土壤源熱泵系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，是系統(tǒng)設計和工程應用中最關鍵的問題之一。
　　 在土壤源熱泵系統(tǒng)長期的運行過程中，土壤中熱(冷)量的累積效應使得系統(tǒng)的可靠性受到嚴重挑戰(zhàn)。這客觀上要求在進行系統(tǒng)設計時，對系統(tǒng)在其壽命周期內的運行特

2、性應盡可能準確地做出預判。因此，對于土壤源熱泵系統(tǒng)進行壽命周期內動態(tài)運行特性模擬是非常必要的。
　　 地埋管換熱器是土壤源熱泵系統(tǒng)的重要組成部分，本文首先研究了垂直u型地埋管換熱器的數(shù)學模型，以保證系統(tǒng)模擬的計算速度和準確性。對于單鉆孔地埋管換熱器，用格林函數(shù)法計算鉆孔外傳熱,實現(xiàn)了計算準確度和計算速度的雙重提高；同時，在與有限長線熱源模型(FLSM)進行比較的基礎上，引入DST數(shù)值模型計算地埋管換熱器鉆孔群的換熱特性。通過分別

3、建立熱泵機組、循環(huán)水泵和垂直U型地埋管換熱器的數(shù)學模型，組成了土壤源熱泵系統(tǒng)的數(shù)學模型。該模型以全年逐時動態(tài)建筑冷(熱)負荷作為輸入，土壤物性作為邊界條件，實現(xiàn)了系統(tǒng)全壽命周期(20年)內的循環(huán)水溫、土壤溫度和能耗的逐時模擬。
　　 為了驗證土壤源熱泵系統(tǒng)模型，對某土壤源熱泵工程供冷季和供熱季的運行特性進行了實測。通過源側水溫、流量和能耗實測值與模擬值的對比，本文建立的系統(tǒng)模型和各部件模型顯示了較高的計算準確性。以該系統(tǒng)模型為基

4、礎，通過系統(tǒng)逐時運行模擬可實現(xiàn)土壤源熱泵系統(tǒng)運行特性的準確預判。
　　 以土壤源熱泵系統(tǒng)模擬為平臺，在熱泵系統(tǒng)的全壽命周期內，對地埋管換熱器的組合形式進行了優(yōu)化設計。以系統(tǒng)全壽命周期內熱泵機組的最高進水溫度或最低進水溫度為控制目標，通過系統(tǒng)優(yōu)化軟件Cenopt和熱泵系統(tǒng)模型的耦合，對地埋管換熱器進行優(yōu)化設計，確定針對某一建筑負荷的最優(yōu)地埋管換熱器組合形式。在此基礎上，通過計算最優(yōu)化系統(tǒng)的全壽命周期成本(LCC)，分析了建筑負荷和

5、設定為優(yōu)化目標的熱泵機組最高進水溫度對系統(tǒng)LCC的影響。
　　 最后，結合具體實例，對土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的優(yōu)化設計方法進行應用分析。選取北京、青島、武漢和重慶四個地區(qū)的教學樓、辦公樓、賓館和住宅樓進行土壤源熱泵系統(tǒng)地埋管換熟器的優(yōu)化設計。在系統(tǒng)設計時，分別選定單U型和雙U型地埋管換熱器,可得到不同地埋管形式對應的鉆孔尺寸最優(yōu)值。由于建筑功能和所處地區(qū)氣候條件的差異，對比各最優(yōu)系統(tǒng)的LCC值發(fā)現(xiàn)，雙U型地埋管換熱器并不一定

6、比單U型更具優(yōu)勢。通過地埋管換熱囂優(yōu)化實例，為土壤源熱泵系統(tǒng)設計的可靠性、經(jīng)濟性提供了有利參考，證明了全壽命周期內的地埋管換熱器優(yōu)化設計具有較強的實用性；LCC值的計算預測了熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性指標，為土壤源熱泵系統(tǒng)的方案優(yōu)選、控制策略評估和投資控制提供了有力保證。
　　 本文對土壤源熱泵系統(tǒng)建模、驗證和地埋管換熱器優(yōu)化進行了較為全面的研究，完善了土壤源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設計理論，從全壽命周期成本LCC值的角度分析了土壤源熱泵系統(tǒng)的經(jīng)濟性