基于建筑负荷动态模拟的地源热泵土壤温度的分析

论文摘要

随着世界经济的发展,能源短缺问题变得越来越严重。地源热泵系统作为利用可再生能源的暖通空调新技术,具有节能、环保等优点,在世界范围内被广泛使用。土壤作为地源热泵系统的放热和吸热源,对整个系统有着至关重要的影响。不同建筑负荷特性要求系统对土壤的取热和放热量不是一定的,二者的不平衡会使土壤的温度发生变化,多余的热量长期积累在地下会减弱地埋管土壤换热器的换热效果。对特定建筑地源热泵系统土壤温度的预测是设计和分析地源热泵系统能否良好运行的关键。在前人研究的基础上,将土壤温度恢复因素考虑进经典线热源理论模型,将负荷累积算法应用于变热流线热源模型的长期逐时模拟,并且编制了采用改进模型的土壤温度计算软件,可以与能耗模拟软件EnergyPlus相结合,快速准确的把握长时间段各种不同负荷情况下地源热泵系统对土壤的温度影响。通过天津大学新建体育场地源热泵系统测试井为期4天的实验,获得了该地的土壤原始温度为15.5℃,土壤平均导热系数为1.904W/m·K,将实验获得的土壤热物性参数和热流值代入到改进模型进行计算,得到测试时间内管内流体平均温度的变化情况,与实测值的误差为6.2%,此时模拟计算值已经可以真实的反映被测埋管内实际的水温变化,也论证了改进模型用于预测土壤温度的可靠性。采用能耗模拟软件EnergyPlus和土壤温度计算软件对某建筑物在四种气候条件下的土壤温度情况进行了计算,结果表明土壤换热器负荷的不平衡性越强,全年土壤温度的变化越大。对于不同功能的建筑夏季设计日前后15日的地源热泵系统土壤温度的研究发现:在一个运行季内,冷(热)负荷的峰值越大、负荷的持续性越强,土壤温度的变化越大。对商场和宾馆采用混合系统的15日模拟计算发现:采用同样容量的辅助设备时,对于负荷峰值较大的商场,采用峰值时分担负荷的运行方式效果较好;对于负荷持续性较强的宾馆,采用间歇运行,由辅助设备负担非峰值时负荷的运行方式效果较好。说明了混合系统的运行方式的选取应当适合建筑自身的负荷特性。通过本课题的研究,提出了一种基于对地源热泵系统的土壤温度的预测来设计和优化系统的方法,具有简单、方便、前瞻性强等突出特点,为我国地源热泵的推广应用贡献一份力量。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 地源热泵的应用与特点
• 1.1.1 地源热泵的应用背景
• 1.1.2 地源热泵的应用现状
• 1.1.3 地源热泵的技术特点
• 1.2 国内外地源热泵研究历史和现状
• 1.2.1 地源热泵的研究
• 1.2.2 国外地源热泵的研究现状
• 1.2.3 国内地源热泵的研究现状
• 1.3 建筑能耗模拟技术的现状
• 1.4 本课题研究内容和意义
• 第二章 用于全年逐时计算的土壤换热器线热源模型
• 2.1 土壤换热器模型的改进
• 2.1.1 经典线热源常热流模型
• 2.1.2 引入阶跃负荷与叠加原理的变热流线热源模型
• 2.1.3 土壤温度的恢复计算
• 2.1.4 采用负荷累积算法的简化变热流线热源模型
• 2.1.5 钻孔热阻与U 型管内流体平均温度的确定
• 2.2 基于改进换热模型的地源热泵逐时模拟程序的开发
• 第三章 改进线热源模型的实验验证
• 3.1 地源热泵系统土壤热物性测试的理论依据
• 3.1.1 土壤换热器的圆柱源模型
• 3.1.2 参数估计法计算地下岩土热物性
• 3.2 土壤热物性测试的施工组织设计
• 3.3 测试项目及结果
• 3.3.1 测试系统介绍
• 3.3.2 测试结果及对比
• 第四章 建筑物全年土壤温度模拟及分析
• 4.1 EnergyPlus 建筑物动态能耗模拟软件
• 4.1.1 EnergyPlus 建筑物动态能耗模拟软件介绍
• 4.1.2 EnergyPlus 能耗分析的理论基础
• 4.2 通过负荷特性分析影响地源热泵系统土壤温度变化的因素
• 4.3 建筑物不同负荷特性下全年逐时土壤温度的模拟
• 4.3.1 模拟建筑物概况
• 4.3.2 不同气候条件下的模拟
• 4.3.3 不同功能建筑物的模拟
• 4.3.4 采用混合系统的模拟
• 4.4 对地源热泵系统的分析及建议
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢