【摘要】：土壤源熱泵作為節(jié)能環(huán)保的新型空調(diào)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外被廣泛推廣和應(yīng)用。但在嚴(yán)寒地區(qū)建筑冷熱負(fù)荷相差很大，土壤源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致土壤溫度逐年降低，熱泵供暖性能也將逐年下降，室溫不能滿足要求。為此，本文基于季節(jié)性土壤蓄熱思想，提出了空氣源土壤蓄熱式熱泵(Heat Pump with Air-Source Soil Heat Storage，簡(jiǎn)稱HPASSHS)系統(tǒng)，夏季將自然空氣中的熱量?jī)?chǔ)存到土壤中，冬季再由熱泵從土壤取熱供入室內(nèi)。與太陽(yáng)能蓄熱相比，空氣源蓄熱設(shè)備簡(jiǎn)單，，投資和維護(hù)費(fèi)用較低。在沒(méi)有集中供熱管網(wǎng)，并且不具備足夠的屋頂或其它空間安裝太陽(yáng)能集熱器時(shí)，采用空氣源蓄熱方法也能實(shí)現(xiàn)自然能量的移季利用，為嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用土壤源熱泵供熱技術(shù)提供了新途徑。本文主要從以下幾個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)展開(kāi)了研究： 首先，介紹了HPASSHS系統(tǒng)的主要運(yùn)行模式及工作原理，建立了系統(tǒng)各傳熱環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型。兼顧計(jì)算量和準(zhǔn)確性，采用當(dāng)量方形截面單管代替垂直U型埋管，建立了管群土壤換熱器的準(zhǔn)三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并通過(guò)形狀因子法得出管壁與土壤的換熱邊界條件。在上述模型基礎(chǔ)上，研究制定了不同運(yùn)行模式的啟�？刂茥l件，為模擬系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性奠定基礎(chǔ)。 其次，在哈爾濱工業(yè)大學(xué)建立HPASSHS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了近2年的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析空氣源土壤蓄熱特性、土壤源熱泵供熱特性和土壤溫度變化特性得出：嚴(yán)寒地區(qū)空氣源季節(jié)性土壤蓄熱可以有效提高土壤溫度，蓄熱效果主要受空氣溫度影響，間歇運(yùn)行能提高土壤換熱器的換熱效率。通過(guò)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了模型的可靠性和正確性。 再次，為哈爾濱節(jié)能住宅建筑設(shè)計(jì)了HPASSHS系統(tǒng)，分別模擬計(jì)算了有無(wú)空氣源蓄熱情況下系統(tǒng)連續(xù)10年的運(yùn)行情況。從運(yùn)行參數(shù)、供熱效果、性能系數(shù)、土壤溫度場(chǎng)等方面分析了有蓄熱系統(tǒng)的全年運(yùn)行特性，并將有無(wú)蓄熱情況下系統(tǒng)的逐年運(yùn)行性能進(jìn)行對(duì)比得出：嚴(yán)寒地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)只有增加季節(jié)性土壤蓄熱后才能實(shí)現(xiàn)土壤溫度場(chǎng)的逐年熱平衡，并且具備持續(xù)的供熱能力。 另外，模擬分析了蓄熱時(shí)間、埋管換熱面積、熱泵容量、室內(nèi)外風(fēng)機(jī)盤管換熱面積對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。在此基礎(chǔ)上，以費(fèi)用年值最低為目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，得到了模擬條件下HPASSHS系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)組合，并將最優(yōu)系統(tǒng)同電鍋爐供暖、電地?zé)峁┡腿細(xì)夤┡M(jìn)行節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比得出，HPASSHS供暖系統(tǒng)在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用具有一定優(yōu)勢(shì)。 最后，將系統(tǒng)拓展應(yīng)用于寒冷地區(qū)，在北京某一節(jié)能建筑中設(shè)計(jì)了HPASSHS系統(tǒng)。夏季采用土壤直接供冷、土壤源熱泵供冷和空氣源蓄熱交替運(yùn)行，冬季采用土壤源熱泵供熱。通過(guò)模擬計(jì)算，分析了HPASSHS系統(tǒng)的全年運(yùn)行特性，并同傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：HPASSHS系統(tǒng)能很好的滿足冬夏室溫要求，采用土壤直接供冷顯著提高了系統(tǒng)供冷性能系數(shù)，通過(guò)空氣源蓄熱可使系統(tǒng)全年土壤排熱量和取熱量平衡，而傳統(tǒng)土壤源熱泵系統(tǒng)排熱量?jī)H為取熱量的65%，不利于長(zhǎng)期供熱。選取兩種供熱空調(diào)方案同HPASSHS系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性比較得出，應(yīng)用HPASSHS系統(tǒng)能明顯減少一次能源消耗量，并且經(jīng)濟(jì)費(fèi)用較低。 通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究，證明了嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)季節(jié)性空氣源土壤蓄熱的可行性，并且HPASSHS系統(tǒng)具有持續(xù)高效的供熱性能。本文的研究成果將為該系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。 本課題為“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“嚴(yán)寒地區(qū)供熱系統(tǒng)節(jié)能降耗關(guān)鍵技術(shù)研究與工程示范”（2011BAJ05B04）的部分內(nèi)容。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TU83

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本文編號(hào)：2591752