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基于变负荷的地源热泵土壤温度模拟研究

作　者: 王会鹏
导　师: 由世俊
学　校: 天津大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 土壤源热泵数值模拟运行模式热作用半径全寿命周期分析法
分类号: TU831
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 98次
引　用: 2次
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内容摘要

中国是全球能耗第二大的国家,其中建筑能耗以每年超过10%的速度增加,现在已经占到我国社会总能耗的25–40%,其中以暖通空调系统能耗所占比重最高。地源热泵系统是现阶段性价比较高的空调方式,其中垂直埋管换热器在大规模地源热泵系统中应用最为广泛。本文针对垂直埋管换热器的传热特点,建立了地下埋管换热器和土壤的非稳态传热模型,并验证了模型的正确性。利用Fluent模拟了土壤源热泵系统连续运行、启停比为1:1和启停比为1:2模式下换热器周围土壤温度分布情况。模拟结果表明在与埋管径向距离相同的情况下垂直方向土壤温度变化范围非常小。在水平方向上靠近地埋管换热器区域的土壤温度受热干扰剧烈,水平半径距离0.5m处热干扰系数达到0.92,水平半径距离2m处热干扰系数为0.8。而在负荷季节结束之后由于土壤热惯性的影响各处土壤温度的恢复情况随水平径向距离的增加而出现滞后。水平半径距离0.5m处土壤温度在恢复期开始即开始下降,而水平半径距离1.5、2m处土壤温度在恢复期开始的前25天温度还出去缓慢上升状态,之后温度才开始下降。热惯性在距离钻孔1.5~2m之间开始起明显作用。在此基础上探讨了土壤热作用范围问题,拟合了热作用半径预测公式。同时探讨了两种间歇运行模式下地埋管换热器的换热性能。通过Energyplus软件对天津一实际建筑的全年能耗进行了模拟,以此建筑负荷为基础对管间距为4.5m、5m、5.5m和6m的情况进行了分析,结果表明管间距大于5.5m时,机组能够在较高的效率下长期运行,因此推荐钻孔最小间距以5.5m-6m为宜。最后采用技术经济分析的方法,以投资费用和运行费用之和为目标函数,对该建筑应用地埋管地源热泵系统进行了经济性分析。同时应用敏感性分析的方法对地埋管地源热泵系统选择过程中的不确定因素进行了探讨。通过本文的研究,期待能够为地埋管地源热泵的设计、运行提供一些参考。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-18
  1.1 能源概况  8-9
  1.2 地源热泵的分类  9-11
  1.3 地源热泵发展概述  11-16
    1.3.1 地源热泵技术的应用  11-12
    1.3.2 地源热泵的研究进展  12-16
  1.4 数值模拟地下换热器传热的意义  16
  1.5 本文研究内容  16
  1.6 论文框架  16-18
第二章模型的建立与验证  18-25
  2.1 物理模型的建立  18-19
    2.1.1 基本假设  18
    2.1.2 物理模型  18-19
  2.2 U 形管内流体控制方程  19-21
  2.3 岩土中的导热  21
  2.4 单值性条件的确定  21-23
  2.5 模型的求解  23-24
  2.6 模拟结果与实测结果的对比  24
  2.7 本章小结  24-25
第三章土壤温度变化模拟结果分析  25-47
  3.1 地埋管换热器换热负荷分析  25-28
    3.1.1 地源热泵系统冷热负荷的动态特征量  25-27
    3.1.2 建筑物的负荷特征与热泵运行模式  27-28
  3.2 负荷季节连续运行模拟结果分析  28-36
    3.2.1 土壤中土壤温度变化分析  31-35
    3.2.2 土壤温变特性评价指标  35-36
  3.3 负荷季节间歇运行模拟结果分析  36-38
  3.4 换热器热作用半径分析  38-42
    3.4.1 连续运行模式热作用半径的分析  39-41
    3.4.2 间歇运行模式热作用半径分析  41-42
  3.5 地埋管换热器换热性能分析  42-43
  3.6 地埋管合理管间距的探讨  43-46
  3.7 本章小结  46-47
第四章地埋管地源热泵系统经济性分析  47-61
  4.1 价值工程  47
  4.2 全寿命周期成本（LCC）的计算方法  47-50
    4.2.1 初投资  47-48
    4.2.2 运行费用  48-49
    4.2.3 报废成本  49
    4.2.4 全寿命周期成本(LCC)的数学模型  49-50
  4.3 价值工程在地源热泵系统中的应用  50-51
  4.4 经济参数的确定  51-54
    4.4.1 基准收益率i  51
    4.4.2 能源价格  51-52
    4.4.3 系统寿命  52
    4.4.4 不确定因素分析  52-54
  4.5 案例分析  54-60
    4.5.1 方案介绍  54
    4.5.2 全寿命周期成本计算  54-57
    4.5.3 不确定因素的影响分析  57-60
  4.6 本章小结  60-61
第五章结论与建议  61-63
  5.1 结论  61-62
  5.2 建议  62-63
参考文献  63-67
附录  67-69
致谢  69

基于变负荷的地源热泵土壤温度模拟研究

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