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垂直U型管式地源热泵空调系统设计软件开发

范惠文  
【摘要】: 近年来,地源热泵空调系统在民用住宅和商业建筑的应用越来越多。由于其低能耗、低运行费用的特点,相对传统的空调系统,地源热泵系统是一种经济、高效的空调方式。因为地表4~6米以下土壤的温度全年基本保持恒定,土壤是一种理想的热源。相对于空气,土壤是一种更稳定的可以无限利用的换热介质。因此,地源热泵不仅可以作为一种节能的空调形式制冷与供热,还可以提供生活热水。然而这种系统的初投资费用较一般空调较高,而且埋地换热器占地面积较大,所以限制了地源热泵的应用。 地源热泵系统由三个换热环路组成:地下水环路、热泵机组内制冷剂环路和用户侧水—水(水—空气)换热环路。本文建立了地源热泵系统的埋地换热器传热模型、热泵机组模型以及空调侧负荷模型,分析了环路间的相互数学联系。并通过Visual Basic语言做成一套地源热泵设计分析程序软件。埋地换热器的计算程序是整个设计软件的重要组成部分,埋地换热器热阻计算主要引入了以Kelvin的线热源理论、柱热源理论和数值解析理论等模型。通过计算程序分析回填泥浆与管材的导热系数、管井与U型管的几何形状和循环流体流量对管井热阻的影响,以及模型之间的差异。埋地换热器计算程序中引入了不同的导热形状因子,并通过G函数来确定管井井壁的温度。在热泵机组模型上,主要分析了热泵机组蒸发器、冷凝器的换热特性。针对目前地源热泵的实际工程整体式机组的应用,分析了整体式机组(压缩机与冷凝器)联合工作的特性。分析了整体式地源热泵机组制冷量、制热量、制冷系数COP、供热系数与埋管出口温度关系。地源热泵系统关键部分是埋地换热器的设计,埋地换热器的换热能力与建筑物负荷相关。本文在地源热泵的设计软件上引入动态负荷计算模型,可以逐时计算出建筑物的负荷,建立了埋地换热器换热量与建筑负荷的二次函数式。完成了三个换热环路的衔接。 为研究垂直U型管埋地换热器计算设计软件的适用性,本课题对具体埋地换热器的换热能力进行了测试试验。本文给出了埋地换热器换热量的测量方法,并通过试验测试换热能力数据与软件计算值进行对比。通过分析比较可以看出,本文建立的垂直U型埋管换热器模拟计算模型能够较好地预测空调工况下埋管换热器的换热能力,验证了所引用的埋地换热器计算传热模型的可靠性,为今后地源热泵空调系统的理论研究和应用推广做出了一点贡献。最后全文展望了地源热泵的应用前景,希望本文能对地源热泵系统的设计、施工、管理和应用提供参考。


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