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直接膨胀式土壤源热泵实验研究及地下换热系统分析

作　者: 贾韶强
导　师: 彭建国；张国强
学　校: 湖南大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 直接膨胀式土壤源热泵制冷剂回流压缩机回油土壤温度场模型
分类号: TU831
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

地源热泵作为一项高效节能、绿色环保的空调技术,在国外已经成为一种广泛采用的空调方式,而在国内正处于研究和应用推广阶段,有很大发展潜力。直接膨胀式土壤源热泵是土壤源热泵的一种特殊形式,是把制冷剂直接通入地下换热器中与周围介质进行换热。与常规土壤源热泵相比,在直接膨胀式土壤源热泵的地下换热器中,换热形式主要是相变换热,其换热系数比采用普通换热介质要大得多;制冷剂直接与土壤进行换热,减少换热环节,能量利用率得以提高。但该系统本身存在一些需要解决的问题,如在供热模式下压缩机回油和制冷模式下制冷剂回流问题,以及地下换热模型建立等问题。因此,作者在合作企业搭建了实验台,把地下换热器置放在水井中与周围介质进行直接换热,对直接膨胀式土壤源热泵进行了初步测试。本文在制冷和制热两种模式下,测试了地下换热器管壁面温度和井水温度分布情况,在分析测试数据的基础上,建立了适合该系统的地下换热模型,利用所建立的模型进行不同情况的模拟计算。制冷模式分别采用了连续性和间歇性运行进行测试,制热运行过程中,由于实验系统存在压缩机回油问题,只进行了间歇性运行测试。同时,针对制冷剂回流和压缩机回油的问题进行了测试,找出对其影响因素。利用实验测试的数据,对系统运行效率进行分析计算。针对地下换热器中相变换热的特点,选用圆柱形理论建立数学模型,利用ANSYS软件进行模拟计算,通过与实验数据进行对比,证实了所建立的模型能很好反映直接膨胀式系统地下换热的情况。然后把模型中换热介质水换成其它回填材料,模拟出直接膨胀式土壤源热泵地下换热器单孔温度影响半径以及影响因素,在系统在间歇运行中,采用运行时间和停机时间之比不同时地下埋管换热器对周围温度场的影响状况。通过与常规土壤源热泵进行对比,在外界条件相同情况下,得出直接膨胀式土壤源热泵系统单位孔深换热量比常规土壤源热泵系统单位孔深换热量大47%。最后采用圆柱形理论建立了直接膨胀式土壤源热泵多个倾斜埋管数学模型,利用ANSYS软件求解出多个倾斜埋管周围温度场分布情况,以及埋管间相互影响程度,分别在冬夏两季模拟计算了钻孔倾斜角的变化对地下换热量的影响。通过测试发现实验系统在制冷模式下制冷剂回流情况良好,但在供热模式下压缩机存在回油问题,在分析实验数据的基础上,证实了地下换热器进出口压力对压缩机回油产生重要的影响。并提出了解决压缩机回油问题的一些措施,供后续实验进一步检验。通过本次实验研究,掌握了直接膨胀式土壤源热泵系统基本原理和运行特点。解决了系统中存在的一些问题,为进一步研究打下了坚实基础。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-20
  1.1 课题背景  12
  1.2 土壤源热泵简介  12-18
    1.2.1 土壤源热泵  12-13
    1.2.2 土壤源热泵的优缺点  13-14
    1.2.3 土壤源热泵地下埋管布置形式  14-16
    1.2.4 常规土壤源热泵与直膨式土壤源热泵工作原理  16-18
  1.3 课题的提出及国内外研究现状  18-20
    1.3.1 课题的提出  18
    1.3.2 国外研究现状以及专利授予情况  18-19
    1.3.3 国内研究现状  19
    1.3.4 本课题的主要研究内容  19-20
第2章实验台的设计  20-32
  2.1 概述  20
  2.2 实验台的构想  20-21
  2.3 实验目的  21
  2.4 实验的准备  21-25
    2.4.1 地埋管管材确定  21-22
    2.4.2 地下埋管形式的确定  22
    2.4.3 制冷剂选择  22-23
    2.4.4 测温点的布置  23-24
    2.4.5 压缩机回油措施  24-25
  2.5 实验台的安装  25-26
  2.6 实验测试内容  26-27
    2.6.1 制冷模式测试内容  26-27
    2.6.2 供热模式测试内容  27
    2.6.3 压缩机回油测试  27
  2.7 实验主要仪器的介绍  27-30
    2.7.1 无纸记录仪  27
    2.7.2 STT-R 铂电阻  27-28
    2.7.3 板式换热器  28
    2.7.4 压缩机  28-29
    2.7.5 膨胀阀  29
    2.7.6 电磁阀  29-30
    2.7.7 油分离器  30
  2.8 本章小结  30-32
第3章直膨式土壤源热泵换热实验及分析  32-46
  3.1 地下水井初始温度场的测定  32
  3.2 制冷模式实验及分析  32-37
    3.2.1 连续性运行换热特性分析  32-35
    3.2.2 间歇性运行换热特性分析  35-37
  3.3 供热模式实验及分析  37-43
    3.3.1 间歇运行换热特性分析  38-40
    3.3.2 系统压力分析  40-41
    3.3.3 压缩机回油分析  41-43
  3.4 机组性能  43-44
    3.4.1 制冷模式运行时机组性能  43
    3.4.2 供热模式运行时机组性能  43-44
  3.5 结论  44-46
第4章地下传热过程数学模型及实验对比  46-58
  4.1 土壤初始温度场描述  46-48
    4.1.1 土壤热物性  46
    4.1.2 土壤温度场数学模型  46-48
  4.2 地下换热数学模型建立  48-50
    4.2.1 模型建立的假设条件  48
    4.2.2 圆柱形模型  48-49
    4.2.3 地下换热模型的建立  49-50
  4.3 地下换热模型的验证  50-57
    4.3.1 制冷模式连续运行  50-53
    4.3.2 供热模式连续运行  53-57
  4.4 本章小结  57-58
第5章直膨式土壤源热泵地下模型  58-76
  5.1 ANSYS 热分析基本原理  58-59
  5.2 ANSYS 热分析法  59-61
  5.3 相邻两钻孔间距大小模拟计算  61-64
    5.3.1 确定两钻孔间距大小  61-62
    5.3.2 回填材料对确定钻孔间距的影响  62-63
    5.3.3 钻孔直径对确定钻孔间距的影响  63-64
  5.4 夏季间歇运行时土壤温度变化规律  64-69
    5.5.1 基本条件确定  66
    5.5.2 单位孔深换热量计算  66-68
    5.5.3 两种不同类型土壤源热泵地下温度模拟  68-69
  5.6 多个倾斜钻孔周围温度场分析  69-74
    5.6.1 倾斜钻孔周围温度场分析  70-72
    5.6.2 钻孔倾斜角的变化对地下换热量的影响  72-74
  5.7 结论  74-76
结论  76-78
参考文献  78-81
致谢  81-82
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  82

直接膨胀式土壤源热泵实验研究及地下换热系统分析

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