太陽能土壤蓄熱供暖(冷)系統(tǒng)埋地?fù)Q熱器性能研究.pdf

1、太陽能-土壤源熱泵(Solar-Ground Source Heat Pump, SGSHP)因其利用太陽輻射熱和可再生的淺層土壤熱，被認(rèn)為是21世紀(jì)一項(xiàng)最具有發(fā)展前途的、具有節(jié)能和環(huán)保意義的制冷空調(diào)技術(shù)。該系統(tǒng)是以太陽能作為主要熱源的熱泵系統(tǒng)。制約太陽能-土壤源熱泵技術(shù)發(fā)展的因素很多，其中，太陽能的蓄存、地下埋管換熱器換熱和土壤熱平衡問題一直是太陽能土壤源熱泵技術(shù)的研究關(guān)鍵。
　　本文在總結(jié)了國內(nèi)外太陽能土壤源熱泵技術(shù)與蓄能技術(shù)

2、的基礎(chǔ)上，將二者有機(jī)地結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了太陽能季節(jié)性土壤蓄熱供暖(冷)系統(tǒng)(Heating(Cooling) System of Solar Seasonal Soil Storage)，該系統(tǒng)主要是由太陽能集熱系統(tǒng)、土壤蓄熱系統(tǒng)、熱泵機(jī)組、地板輻射末端裝置組成。本文以該系統(tǒng)的地下埋管換熱器作為研究對象，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究：
　　首先，利用有限單元法建立了土壤換熱器三維數(shù)理模型，模擬了系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行兩年土壤溫度場的變化及恢

3、復(fù)情況。運(yùn)行結(jié)束，土壤溫度比初始值高了將近1℃。該系統(tǒng)特別適合用于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季：太陽能做為主要熱源，土壤源熱泵做為輔助熱源；夏季：土壤換熱器直接供冷。土壤一年三季(春、夏和秋)進(jìn)行長期蓄熱，這樣不僅保持了土壤的熱平衡，還為下一個(gè)冬季更好地供暖提供了保證。
　　其次，在所建立的數(shù)理模型基礎(chǔ)上，本文首先模擬了單根U型管換熱器的運(yùn)行特性，研究了以年為周期，系統(tǒng)運(yùn)行兩年的不同深度(5m、30m和50m)土壤的溫度變化情況、不同運(yùn)行工況下

4、U型管換熱器對周圍土壤溫度的影響、不同土壤熱物性和不同U型管管材對周圍土壤溫度的影響。
　　再次，又模擬了多根U型管換熱器的運(yùn)行特性，從土壤熱物性、埋管管材、埋管間距及埋管排列方式四個(gè)方面分析了影響土壤與埋管換熱器之間的換熱效果。其中，埋管管材對長期運(yùn)行的太陽能季節(jié)性土壤蓄熱供暖(冷)系統(tǒng)影響不是很大。在選擇管材類型時(shí)，可從經(jīng)濟(jì)上考慮，本文選擇了價(jià)格低廉的普通聚乙烯管材。
　　另外，對換熱影響最大的是埋管排列方式。四種排列方

5、式中圓形的排列方式換熱器換熱能力最強(qiáng)，其次是多邊形和正方形排列方式，最差的為矩形排列。換熱能力強(qiáng)的排列方式，冬季換熱器日取熱量大，出水溫度高；但夏季出水溫度過低，不利于地板輻射供冷。因此，在選擇換熱器排列方式時(shí)，本文采用的是矩形排列，雖然冬季換熱效果沒有前三種好，但完全可以滿足供暖要求，夏季又符合地板輻射供冷水溫的要求。
　　最后，為了考察太陽能季節(jié)性土壤蓄熱供暖(冷)系統(tǒng)的運(yùn)行特性，同時(shí)驗(yàn)證本文所建數(shù)學(xué)模型的正確性，在哈爾濱市松

6、北區(qū)建立了太陽能季節(jié)性土壤蓄熱供暖(冷)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示范工程。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是把太陽能熱泵、土壤蓄熱及地板輻射系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合在一起的供暖(冷)空調(diào)系統(tǒng)，于2007年11月開始運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)測得：供暖中期平均供暖性能系數(shù)為5.01，供暖末期供暖性能系數(shù)可達(dá)13.02。在相同(或近似)的條件下，通過比較實(shí)驗(yàn)值和模擬值吻合較好，驗(yàn)證了本文建立的數(shù)學(xué)模型的正確性和可靠性。
　　太陽能季節(jié)性土壤蓄熱供暖(冷)系統(tǒng)是一種新型節(jié)能、環(huán)保的供暖(冷)系統(tǒng)，由