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地源热泵埋地换热器动态特性及地上机组节能研究

朱仕武  
【摘要】: 地源热泵技术具有良好的节能、高效以及环保特性,在北美、欧洲以及日本得到了广泛的关注,研究日趋深入,商业应用也日趋广泛。我国自上世纪80年代末开始也相继开展研究,但至今仍停留在局部地区的小型实验系统的研究层面上,研究也主要集中在技术可行性分析及埋地换热器模型建立等方面。但有关埋地换热器动态特性以及地源热泵节能潜力方面的基础性研究较缺乏。因此本文针对地源热泵系统实际应用必须考虑的地下换热动态性能以及地上机组节能特性进行研究,并得出相关结论。 首先通过广泛的调研,根据我国实际的土壤、气候、四家标准以及国家发展规划,并联系国外发展经验,对地源热泵技术在我国的应用前景,进行了多角度深入的论证,对该技术在我国的应用提供了可行性分析。 在对比研究国内外地下换热器模型的优缺点的前提下,针对有广泛应用前景的U型埋地换热器特点,建立其瞬态温度场数学模型,并在同济大学大型实验地源热泵系统上进行了验证。并利用数学模型分析了埋管材料和几何形状、回填土和管外土壤导热性能、系统运行方案等各种因素对埋地换热器换热性能的影响,研究了埋管周围土壤温度场各个不同工况下的动态特性,对正确设计埋地换热器提供了理论指导和基础参考数据。 在埋地换热器模型分析和实验数据的基础上,提出了用有用能分析法。对热泵系统冬夏典型工况利用(火用)分析,得出地源热泵机组制冷剂选择、冷凝温度和蒸发温度的确定、系统优化以及参数匹配等方面的基础数据。 本文通过理论建模、实验验证、有用能分析等方法,揭示了地源热泵埋地换热器动态特性以及换热器周围土壤温度场变化规律,指出了地源热泵在基于节能考虑上制冷剂选择的方向和范围,以及机组设计时冷凝温度、蒸发温度的确定的方法和依据。同时为地源热泵技术推广中的性能评价方法、设计思想奠定了基础,对于该技术在我国的商业化具有理论意义和重要的工程应用价值。


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