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复合式热泵供热系统的耦合特性研究

刘逸  
【摘要】:在寒冷地区,建筑物的冬季供热能耗较大,土壤温度较低,单独采用土壤源热泵供热时的效率偏低。因地制宜地采用复合式热泵供热系统,可以提高系统的热效率,从而得到更好的节能效果。目前,国内对复合式热泵系统的研究主要以模拟研究或搭建小型实验台实验研究为主,缺乏实际工程的验证,往往与实际工程得到的实验数据差别很大。 本文针对寒冷地区的气候特点、地质条件及负荷变化规律,对复合式地源热泵供热系统的耦合特性进行研究,并利用实际工程实验验证模型和模拟结果的正确性。研究的主要内容和结果如下: 埋地换热器的性能是影响热泵性能的关键因素,本文首先在变热流条件下建立埋地换热器的传热模型,使其更加接近实际运行工况,为简化运算过程和节省运算时间,采用边界元法对埋地换热器进行热阻分析,然后自行编制埋地换热器模拟软件进行垂直U型管埋地换热器的性能模拟,并通过自行研制的热响应实验台验证了模拟结果的正确性。研究结果表明:为减少埋地换热器之间的相互换热影响,钻孔间距不能低于4m;较高的土壤初始温度和导热系数、较大的埋管材料导热系数以及较大的孔内回填材料导热系数等因素,均有利于埋地换热器换热;增大钻孔间距和孔内支管之间的距离,可以减少对各埋地换热器之间和孔内两支管之间换热效果的影响;双U型管单位孔深换热量高于单U型管,但在土壤温度不高于10℃的地区优势并不明显,所以在寒冷地区埋地换热器最好采用单U型管的形式。 建立了土壤源热泵系统各部分的数学模型,编制模拟程序进行系统性能的动态模拟研究,并通过在寒冷地区建造的土壤源热泵实验系统进行实验验证。研究结果显示,为提高系统效率,应适当增加钻孔数量和降低房间供水温度,系统宜采用间歇运行的模式,同时两侧的循环泵采用变频调节。 建立了太阳能土壤源复合式热泵系统各部分的数学模型,编制模拟程序进行系统性能的动态模拟研究,利用在寒冷地区建造的太阳能土壤源复合式热泵实验系统进行了实验验证。研究结果显示,采用太阳能集热系统后,可适当减少钻孔数量;在满足供热需求的情况下降低房间供水温度,可以提高系统的热效率;系统宜采用间歇运行的模式,更有利于提高机组的制热性能系数(Coefficient of Performance,简称COP);在太阳能集热器参与运行的时间段,土壤温度和系统效率等各项性能显著提高。 通过自行搭建的多工况热泵实验台,对地铁废热土壤源复合式热泵系统的性能和控制模式进行了实验研究。研究结果表明:当地铁排热量能够满足建筑的供暖需求时,单独运行空气源热泵进行供暖,热泵的平均COP值为4.9;当地铁没有废热可供利用时,单独运行土壤源热泵对建筑进行供暖,此时热泵的平均COP值为3.8。 对应用于油田中转站原油集输加热的水源热泵系统进行实验研究,同时建立热泵机组的数学模型对其性能进行模拟研究,并与实验结果进行比较。研究结果表明:系统在冬季运行时,各项性能指标与设计工况较吻合;机组在夏季运行时,宜采用变工况运行的模式,如果循环泵采用变频控制,节能效果更加明显。 以经济评价方法为依据,在燃料价格变化的情况下,通过与其它几种供热方式进行对比,分析了三种热泵系统运行的经济性,得到以下结论:三种热泵系统的一次能源利用率在与其比较的几种供热方式中均最高,而运行费用最低,燃料价格的变化对采用该燃料的供热系统运行费用影响很大,所以应根据当地的实际情况选择合理的供热方式。


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