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竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调系统研究

作　者: 余鑫
导　师: 王如竹；翟晓强
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 地源热泵恒温恒湿空调土壤热平衡性能研究长期效应
分类号: TU831
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

利用浅层地热能与热泵技术相结合形成的为建筑物供暖、制冷的地源热泵空调系统是可再生能源利用的有效方式。地源热泵空调系统目前主要应用在普通舒适性空调中,但对室内环境需要常年提供恒温恒湿空调的系统,地源热泵在这类系统中的应用研究还鲜有报道。这类系统对空调需求稳定、能源消耗较大。本文针对恒温恒湿空调的特点以及夏热冬冷地区的气候特点,深入研究了竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调系统。主要内容包括:(1)为研究竖直埋管地源热泵空调系统在恒温恒湿环境中的运行特性,建立竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调系统理论分析模型,对地源热泵空调系统的运行性能、地下埋管换热器与土壤的换热量和钻孔周围土壤温度分布进行预测。(2)为了对竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调系统进行实验研究以及对理论模型进行验证,以上海地区某档案馆建筑为对象,构建竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调实验系统。建筑面积8000m~2。系统主要包括地下埋管换热器、两台额定制冷量为594kW的热回收型地源热泵机组以及再热采用冷凝热回收的恒温恒湿机组。其中地下埋管换热器包括80m深、直径160mm的钻井280个,每个钻井内布置DN32单U型管。制冷工况运行时,采用冷凝热回收技术,将一部分冷凝热用于恒温恒湿机组内空气的再热,这样不仅减少了向土壤排放的热量,而且用冷凝热代替了常用的电加热来再热空气,节省了这部分的电能。(3)对系统进行理论预测,预测得出上海地区全年地下埋管换热器向土壤散热量为2630GJ,从土壤中吸热为2114.7GJ,热不平衡率为19.6%。在初始温度为18℃时,运行一年后距钻孔周围土壤温度上升为18.76℃。(4)对地源热泵恒温恒湿空调系统进行全年实验研究。得出冬季典型工况下,热泵机组制热COP达到5.2;夏季典型工况下,机组制冷COP达到5.1。连续运行一年,室内温湿度控制在规定范围内,满足国家规范要求。地源热泵空调系统在一年的运行时间内土壤温度上升了0.7℃左右,冷凝热回收对缓解土壤热堆积的贡献是68.14%。(5)利用理论分析模型,结合实验研究,对系统长时间运行性能进行预测,找到合理的运行控制策略。结果表明随埋管间距的增加,土壤温度上升变慢,有利于系统稳定运行,建议上海地区竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调系统选择埋管间距4m~5m,埋管深度80m~100m。系统连续运行15年后,采用热回收技术时土壤温度上升幅度比不采用热回收时降低66.98%;室内设定20℃时,土壤温度上升2.80℃,而如果室内设定为22℃,则仅上升1.03℃,土壤温度上升幅度降低63.21%。(6)地域性分析表明,北京地区采用冷凝热回收技术可以解决土壤热不平衡问题;成都地区需要在热回收技术的基础上提高室内设定温度为22℃才可以解决土壤热不平衡问题;沈阳地区可以通过降低室内设定温度为18℃来解决土壤热不平衡问题。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章竖直埋管地源热泵空调系统研究与进展  10-25
  1.1 概述  10-12
  1.2 竖直埋管地源热泵空调系统国内外研究现状及发展趋势  12-22
    1.2.1 地埋管换热器热传递过程研究  12-16
    1.2.2 地源热泵空调系统性能研究  16-18
    1.2.3 技术经济性研究  18-19
    1.2.4 基于地源热泵的复合能量系统研究  19-21
    1.2.5 研究发展趋势  21-22
  1.3 地源热泵恒温恒湿空调系统研究背景、主攻方向及难点  22-23
    1.3.1 研究背景  22
    1.3.2 研究主攻方向和难点  22-23
  1.4 本文的主要工作  23-25
第二章夏热冬冷地区竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调系统的适用性分析与理论模型  25-37
  2.1 概述  25
  2.2 竖直埋管地源热泵系统适用性分析  25-28
  2.3 数学模型的建立及求解  28-35
    2.3.1 地下埋管换热器模型  28-31
    2.3.2 热泵机组理论模型  31-32
    2.3.3 恒温恒湿机组理论模型  32-34
    2.3.4 室内理论模型  34
    2.3.5 理论计算过程  34-35
  2.4 本章小结  35-37
第三章竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调实验研究系统及理论预测  37-56
  3.1 概述  37
  3.2 恒温恒湿环境特征  37
  3.3 实验研究系统  37-49
    3.3.1 土壤热物性及换热特性研究  37-40
    3.3.2 地源热泵空调系统主要参数  40-41
    3.3.3 地源热泵空调系统主要部件  41-43
    3.3.4 空调系统工作原理  43-45
    3.3.5 实验系统  45-49
  3.4 系统性能预测及分析  49-55
    3.4.1 理论计算参数  49-50
    3.4.2 地源热泵空调系统制冷量、制热量预测  50-53
    3.4.3 地下埋管换热器与土壤换热量  53-54
    3.4.4 钻孔周围土壤温度分布  54-55
  3.5 本章小结  55-56
第四章竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调系统的实验研究及性能分析  56-86
  4.1 概述  56
  4.2 典型工况下地源热泵恒温恒湿空调系统的实验研究  56-71
    4.2.1 冬季典型工况实验性能分析  56-61
    4.2.2 春季典型工况实验性能分析  61-63
    4.2.3 夏季典型工况实验性能分析  63-68
    4.2.4 秋季典型工况实验性能分析  68-70
    4.2.5 典型工况运行结果总体分析  70-71
  4.3 地源热泵恒温恒湿空调系统长期运行实验研究及室内热环境特性分析  71-77
    4.3.1 室内环境  72-74
    4.3.2 土壤换热量  74-76
    4.3.3 土壤温度  76-77
  4.4 地源热泵恒温恒湿空调系统性能分析  77-84
    4.4.1 环境参数对系统性能的影响  78-80
    4.4.2 土壤参数对系统性能的影响  80-81
    4.4.3 地下埋管换热器参数对系统性能的影响  81-83
    4.4.4 热回收运行参数对系统的影响  83-84
  4.5 本章小结  84-86
第五章竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调系统的优化分析及土壤热特性的长期效应分析  86-104
  5.1 概述  86
  5.2 竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调系统的优化分析  86-92
    5.2.1 地下埋管换热器设计参数优化分析  86-88
    5.2.2 地源热泵系统运行策略优化分析  88-92
  5.3 土壤热特性的长期效应分析  92-101
    5.3.1 系统长期运行对土壤的影响  92-93
    5.3.2 不同埋管间距对系统长期运行的影响  93-94
    5.3.3 不同埋管深度对系统长期运行的影响  94-95
    5.3.4 热回收技术对系统长期运行的影响  95-96
    5.3.5 室内设定温度对系统长期运行的影响  96-97
    5.3.6 土壤热特性长期效应总结  97-101
  5.4 竖直埋管地源热泵恒温恒湿空调系统地域性应用分析  101-103
  5.5 本章小结  103-104
第六章全文总结  104-107
  6.1 主要结论  104-105
  6.2 创新性  105
  6.3 研究展望  105-107
参考文献  107-113
附录一符号与标记  113-116
攻读博士学位期间已发表或录用的论文  116-119
攻读博士学位期间参与的科研项目  119-120
致谢  120-123
上海交通大学博士学位论文答辩决议书  123

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