嚴寒地區(qū)太陽能-土壤耦合熱泵季節(jié)性土壤蓄熱特性研究.pdf

1、太陽能-土壤耦合熱泵（Solar-Ground Coupled Heat Pump, SGCHP）系統(tǒng)在用于嚴寒地區(qū)供暖時，由于建筑物的熱負荷很大，熱泵從土壤中的取熱量也很大，系統(tǒng)常年運行地下土壤溫度場難以得到恢復，使得熱泵的供暖性能系數(shù)（Coefficient of Performance, COP）逐年下降。為此本文提出利用系統(tǒng)中原有裝置收集非采暖季節(jié)的太陽能并通過土壤換熱器儲存到自然的土壤中，冬季再利用熱泵將熱量提取出來為建筑物供

2、暖。這種季節(jié)性的土壤蓄熱，不僅可以恢復和提高土壤溫度，而且還能將非采暖季節(jié)豐富的太陽能轉移到冬季使用，有效的增加了太陽能作為可再生能源熱利用的范圍，具有很大的節(jié)能意義。
　　為了系統(tǒng)準確的了解該蓄熱過程的特性，本文首先建立了 SGCHP供暖實驗系統(tǒng)，監(jiān)測了太陽能季節(jié)性土壤蓄熱以及系統(tǒng)冬季供暖的性能，并對地下土壤溫度場的變化作了較為系統(tǒng)的分析。與傳統(tǒng)的SGCHP系統(tǒng)不同的是，增加了季節(jié)性土壤蓄熱后，地下垂直 U型埋管既是取熱裝置也是

3、蓄熱裝置，具有雙重功能，因此土壤換熱器是蓄熱系統(tǒng)中的一個關鍵部件，是研究該技術的核心和應用的基礎?；诖?，本文利用FLUENT建立了由多個垂直 U型埋管組成的群井土壤換熱器的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并通過 FLUENT軟件提供的擴展功能——用戶自定義函數(shù)（User-Difined Function, UDF）編寫太陽能集熱器等其它設備模型程序動態(tài)加載到群井土壤換熱器模型中，實現(xiàn)了對太陽能季節(jié)性土壤蓄熱過程的動態(tài)仿真。此外，為研究地下土壤蓄、

4、取熱的熱平衡問題，將蓄熱系統(tǒng)仿真模型擴展到全年供暖系統(tǒng)仿真模型。通過模擬結果與實測數(shù)據(jù)的比較，驗證了本文所建數(shù)學模型的可靠性和正確性。
　　通過仿真模擬，從理論上分析了埋管間距、埋管深度、土壤換熱器所在位置地表有無建筑以及土壤作為蓄熱介質本身參數(shù)對土壤蓄熱特性的影響，并分析了基于負荷特性下太陽能集熱器的傾角、蓄熱啟動溫度對土壤蓄熱特性的影響。通過監(jiān)測蓄熱運行參數(shù)和土壤溫度場的變化，對蓄熱指標：蓄熱溫差、蓄熱運行時間、月蓄熱量和總蓄

5、熱量、蓄熱能效比、蓄熱功率、單位埋深蓄熱量等進行了理論研究。
　　最后，從蓄熱后土壤的取熱特性以及溫變特性出發(fā)，主要包括土壤取熱量、單位埋深取熱量、蒸發(fā)器進出口溫度、土壤溫度場以及熱泵、系統(tǒng)供暖和系統(tǒng)全年 COP，探討了整個供暖系統(tǒng)在常年運行條件下土壤的蓄熱特性和取熱特性的逐年變化以及二者的相互影響。并通過觀察土壤溫度場的逐年變化分析了土壤的熱堆積效應和熱平衡狀況。研究結果表明，在運行控制條件不變的情況下，土壤溫度逐年升高，蓄熱效

6、率逐年降低；系統(tǒng)運行的最初3年兩者變化較快，隨后趨勢逐漸變緩；熱泵 COP逐年升高，但升高的幅度不大，基本維持在較高的水平。因此，在系統(tǒng)運行3年以后可適當減少蓄熱量，使土壤熱量達到平衡。該部分研究可為該系統(tǒng)的長期運行和推廣提供指導。
　　SGCHP系統(tǒng)結合季節(jié)性土壤蓄熱，克服了太陽能熱利用在季節(jié)性上不匹配的缺點，擴大了太陽能熱利用的深度和廣度。通過太陽能季節(jié)性土壤蓄熱，熱泵低溫熱源的溫度得到了提升，從而有效地提高了熱泵和供暖系統(tǒng)的