精品学位论文-太阳能土壤耦合热泵系统集热与蓄热分析（PDF格式可编辑） .pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 地埋管地源热泵系统在我幽北方寒冷地区使用 存在管普遍的吸放热不平衡现象 地埋篱换热器冬季从地下提取的热量远远人j 其夏季释放的热量 造成地埋管换热器 周围土壤温度的不断卜 降 从而导致地埋管地源热泵系统的效牢下降 针对这一问题 探讨分析了太阳能热利用与地埋管地源热泵相结合的太阳能土壤耦合热泵系统 首先分析了太阳能作为热泵热源的特点 并对人刚能热利用的主要设备 太阳 能集热器做了详细的调研 分析了太阳能集热器的热性能 给出了其效率方程和效率 曲线 接着通过编程对济南地区夏季和冬季太阳能集热器的最佳安装方位角和倾斜角进 行分析计算 得到了济南地区太阳能集热器的最佳安装方位角和倾斜角 不同方位角 所对应的最佳倾斜角 计算得到了济南地区 冬季能够获得最大太阳辐射量所对应的 最佳方位角和倾斜角 再者探讨分析了一种现场岩土热物性测试方法及其工程应用 为太阳能土壤源耦 合系统设计与模拟计算提供了必须的深层岩土热物性参数 最后利用课题组前期建立的钻孔内准三维传热模型和钻 孑l j t 有限长线热源传热模 型及研发的专业地埋管设计软件 地热之星 分别设计了沈阳 济南地区实际工程 给出了太阳能土壤耦合热泵系统所需的集热器面积 钻孔量以及系统运行1 0 年内地下 温度场变化曲线 以钻孔壁温度作为反映蓄热量多少为判据 重点探讨了回填材料的 导热系数 钻孔深度 钻孔间距 岩土导热系数等冈素对蓄热量的影响 并与完全地 埋管地源热泵系统进行了比较 分析了太阳能土壤耦合热泵系统的优势以及应用的可 行性 研究结果表明回填材料导热系数 钻孔深度 钻孔间距 岩土导热系数等对蓄热 有明显影响 在北方寒冷地区由于冷热负荷的严重不平衡 导致埋管附近地下温度不 断下降 完全地埋管地源热泵系统长时间运行会导致效率下降 由于加入了太阳能作 为辅助热源 太阳能土壤耦合热泵系统运行1 0 年地下温度场基本保持不变 这些结果 与结论可以作为实际工程优化设计的依据 关键词 太阳能 地源热泵 地埋管换热器 土壤蓄热 山东建筑大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o ns t u d y o ns o l a rg r o u n d c o u p l e dh e a tp u m ps y s t e m w a n gj i n g t h e r m a le n g i n e e r i n g d i r e c t e db yd i a on a i r e n a b s t r a c t t h ei m b a l a n c eb e t w e e nh e a ta b s o r p t i o na n dh e a td i s c h a r g ew i d e l ye x i s t si ng r o s o u r c eh e a tp u m ps y s t e mo ft h ec o l dr e g i o no fn o r t h e r nc h i n a t h eh e a tq u a n t i t i e s g e o t h e r m a lh e a te x c h a n g e r ss o r b sf r o mg r o u n di n t h ew i n t e ra r ef a rg r e a t e rt h a n d i s c h a r g et og r o u n di n t h es u m m e rc a u s i n gt h et e m p e r a t u r er e l e a s eo ft h es o i la r o g e o t h e r m a lh e a te x c h a n g e r r e s u l t i n gi nd e c l i n i n gg r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s e f f i c i e n c yd r o p s t h i sp a p e ra i m sa tt h i sp r o b l e mp u tf o r w a r ds o l a rt h e r m a lu t i l i z a t i o na n d g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p c o m b i n a t i o no fs o l a rg r o u n d c o u p l e dh e a tp u m ps y s t e m f i r s t l ya n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o l a re n e r g ya st h eh e a ts o u r c e a n dd oad e t a i l e d i n v e s t i g a t i o no fs o l a re n e r g yc o l l e c t o r w h i c hi s t h em a i ne q u i p m e n tf o rs o l a rt h e r m a l u t i l i z a t i o n a n a l y z e st h et h e r m a lp r o p e r t i e so fs o l a re n e r g yc o l l e c t o r g i v e si t se f f i c i e n c y e q u a t i o na n de f f i c i e n c yc u r v e t h e nc a l c u l a t ea n da n a l y z eb yp r o g r a m m i n gt h eb e s ta z i m u t ha n di n c l i n a t i o na n g l ef o r i n s t a l l a t i o no fs o l a rt h e r m a lc o l l e c t o ri nw i n t e ra n ds u m m e ri nj i n a n g e tt ok n o wt h eb e s t i n c l i n a t i o na n g l et od i f f e r e n ta z i m u t h c a l c u l a t e st h eb e s ta z i m u t ha n dc o r r e s p o n d i n g g r a d i e n tw h e r e c a ng e tt h em a x i m u ms o l a rr a d i a t i o ni nw i n t e ri nj i n a n f u r t h e r m o r ea n a l y z e sam e t h o df o ri ns i t ud e t e r m i n i n gt h et h e r m a lp r o p e r t i e so fd e e p g r o u n d f o rs o l a rg r o u n ds o u r c ec o u p l e ds y s t e m sd e s i g na n d s i m u l a t i o np r o v i d e sn e c e s s a r y d e e pg e o t e c h n i c a lt h e r m a lp r o p e r t i e sp a r a m e t e r f i n a l l yu s i n go u rg r o u pe s t a b l i s h e dq u a s i t h r e ed i m e n s i o n a l h e a tt r a n s f e rm o d e lo f d r i l l i n ga n dd r i l l i n gl o n go u t s i d el i m i t e dh e a tt r a n s f e rm o d e l a n dt h ep r o f e s s i o n a lb u f f e dt u b e d e s i g ns o f t w a r e g e os t a r d e s i g nt h ep r a c t i c a lp r o j e c ti ns h e n y a n g j i n a na r e a g i v e nt h e r e q u i r e da m o u n to fc o l l e c t o ra r e a d r i l l i n ga n du n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r ef i e l dv a r i a t i o nf o r10 y e a r s o p e r a t i o n w i t ht h ed r i l l i n gw a l lt e m p e r a t u r er e f l e c t i n gh e a ts t o r a g e t oa n a l y z et h e f a c t o r s b a c k f i l l i n gm a t e r i a l s d r i l l i n gd e p t hd r i l l i n gs p a c i n ga n dg e o t e c h n i c a l t h e r m a l r t 山东建筑大学硕士学位论文 c o n d u c t i v i t yi n f l u e n c et h eu n d e r g r o u n dh e a ts t o r a g e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lg r o u n d s o u r c eh e a tp u m p a n a l y z et h e s o l a rg r o u n d c o u p l e dh e a tp u m ps y s t e ma n da d v a n t a g ea n d a p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t y t h er e s u l t so ft h es t u d ys h o wb a c k f i l l i n gm a t e r i a l s d r i l l i n gd e p t h d r i l l i n gs p a c i n ga n d g e o t e c h n i c a lt h e r m a lc o n d u c t i v i t yh a v es i g n i f i c a n t l ye f f e c t s t h ei m b a l a n c eb e t w e e nh e a t i n g a n dc o o l i n gl o a dw i d e l ye x i s t si nt r a d i t i o n a lg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mo ft h ec o l d r e g i o no fn o r t h e r nc h i n a c a u s i n gt h et e m p e r a t u r er e l e a s eo ft h es o i la r o u n dg e o t h e r m a lh e a t e x c h a n g e r r e s u l t i n gi nd e c l i n i n gt r a d i t i o n a lg r o u n d s o u r c eh e a tp u m ps y s t e me f f i c i e n c yd r o p s d u et oj o i nt h es o l a re n e r g ya st h ea u x i l i a r yp o w e r s o l a rg r o u n d c o u p l e dh e a tp u m ps y s t e m r u n10y e a r su n d e r g r o u n dt e m p e r a t u r ef i e l df u n d a m e n t a lu n c h a n g e d t h e s er e s u l t sa n d c o n c l u s i o n sc a nb eu s e da st h eb a s i so fa c t u a le n g i n e e r i n go p t i m i z a t i o nd e s i g n k e y w o r d s s o l a re n e r g y g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p g e o t h e r m a lh e a te x c h a n g e r s o i l h e a ts t o r a g e i i i i p p 山东建筑大学硕士学位论文 山东建筑大学硕士学位论文 目录 摘要 i 第l 章绪论 1 1 1 课题的研究背景 1 1 2 地源热泵系统的研究现状 2 1 3 太阳能热利用技术的研究现状 3 1 4 太阳能十壤耦合热泵的研究现状 4 1 5 太阳能上壤耦合热泵系统的研究意义 5 1 6 课题研究的主要内容 7 第2 章太阳能和太阳能热利用系统 9 2 1 太阳能的特点 9 2 1 1 太阳能的优点 9 2 1 2 太阳能的缺点 一9 2 2 太阳能集热器 1 0 2 2 1 平板型集太阳能集热器 l o 2 2 2 真空管太阳能集热器 1 l 2 2 3 聚焦型太阳能集热器 1 2 2 2 4 太阳能集热器的热性能 1 2 2 2 5 集热器效率方程及效率曲线 1 4 2 3 太阳能集热器最佳倾斜角的确定 1 7 2 3 1 最佳倾斜角度的数学模型 1 8 2 3 2 全年最佳倾斜角 2 0 2 3 3 季节性以及每月最佳倾斜角 2 2 2 4 本章小结 2 2 第3 章土壤热物性和地热换热器传热模型 2 3 3 1 土壤热源的特点 2 3 3 1 1 土壤热源的优点 2 3 3 1 2 土壤热源的缺点 2 3 v 山东建筑大学硕士学位论文 3 2 土壤的热物性 3 3 土壤热物件的测定 一 3 3 1 简化模型与思路 3 3 2 实际测试结果分析 3 4 地热换热器传热模型 3 4 1 钻孔内准三维模型 3 4 2 钻孔外有限长热源模型 3 4 3 多钻孔地埋管换热器传热分析 3 5 本章小结 第4 章太阳能土壤耦合热泵系统的应用分析 4 1 太阳能十壤耦合热泵系统的工作原理 一 4 2 太阳能土壤耦合热泵系统的优势 一 4 3 太阳能土壤耦合热泵系统的控制策略 4 4 太阳能土壤耦合热泵系统的运行方案 一 4 4 1 单供暖的太阳能土壤耦合热泵系统的运行方案 4 4 2 冬季供暖夏季制冷的太阳能土壤祸合热泵系统的运行方案 3 9 4 5 太阳能土壤耦合热泵系统集热器面积及太阳能保证率的计算 3 9 4 5 1 单供暖的太阳能土壤耦合热泵系统的集热板面积计算 4 0 4 5 2 冬季供暖夏季制冷的太阳能土壤耦合热泵系统集热板面积计算 4 l 4 6 本章小结 4 l 第5 章太阳厶匕f i e 土壤耦合热泵系统的设计与模拟举例 4 2 5 1 地埋管换热器设计模拟软件 4 2 5 1 1 软件框图 4 2 5 1 2 输入的原始数据 4 2 5 1 3 主要设计与计算参数 4 6 5 2 沈阳某办公楼太阳能土壤耦合热泵系统设计 4 8 5 2 1 基本资料 4 8 5 2 2 计算结果 5 0 5 3 济南某住宅太阳能土壤耦合系统设计 5 3 v i 山东建筑大学硕士学位论文 5 3 1 基本资料 5 3 5 3 2 计算结果 5 4 5 4 地卜蓄热的影响凶素 5 5 一 5 4 1 i i 填材料对蓄热的影n 向 5 6 5 4 2 岩土导热系数对莆热的影响 5 6 5 4 3 钻孔问距对蓄热的影响 5 7 5 4 4 钻孔深度对蓄热的影响 5 8 5 5 本章小结 5 9 第6 章结论与展望 j 6 0 参考文献 6 2 致谢 6 6 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况 6 7 v i i 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章绪论弟l 覃z 百了匕 1 1 课题的研究背景 能源是人类赖以生存和发展的物质基础 随着人类文明的进步和社会发展 对能源的消耗越米越多 如果不采取措施 将导致能源枯竭 环境恶化等 1 矿重 因此 大力发展新能源与可再生能源已成为我国当前发展国民经济和建设小康 不容缓的主要任务和战略目标 随着经济的发展和人民 卜活水平的提高 公共 住宅的供热和空调已成为普遍的需求 在发达国家中 供热和空调的能耗町占 总能耗的2 5 3 0 我困的能源结构主要依靠矿物燃料 特别是煤炭 矿物燃 时产生了大量有害气体以及温室效应气体 l 大量燃烧矿物燃料所产生的环境问 为各困政府和公众关注的热点 2 1 随着国际石油价格持续上涨和国内煤炭价格上调压力的增大 我国能源供 临着前所未有的严峻形势 地球上的环境由于大量燃烧矿物质能源已产生了很 变化 人们世代赖以生存的环境正在逐渐恶化 减少传统常规能源的消耗量 排 保护环境的迫切性已引起我国各级政府的高度重视 建筑能耗是各行业中 大户 在我国已经接近占总能耗的3 0 如何有效的降低建筑能耗是目前人们关 点之一 开源节流 是解决能源安全问题的唯一选择 在大力节能的基础上如 可再生能源 降低建筑物传统能源消耗量是近几年人们的努力方向 热泵技术是应用低位可再生能源的重要技术措施之一 人们越来越关注如何通过热 泵技术 将储存在土壤 地下水 地表水或空气中的太阳能之类的自然资源以及生活生 产排出的废热用于建筑物采暖和热水供应等方面 从而有效的降低高品位能的耗散速度 热泵是减少c 0 2 排放量的最经济有效的技术 现在全世界约有1 3 亿台热泵在运行 总 供热量约为每年4 7 1 0 掩 每年减少c 0 2 排放量约为1 3 亿吨 由于供热和空调的能耗 巨大 而且正在迅速增长中 因此全面推广热泵的供热方式取代传统的锅炉房供热方式 将有可能使c d 的总的排放量下降5 以上 环境效益显著 随着热泵技术的进一步改进 和发电效率的进一步提高 采用热泵技术供热使全世界c 0 2 排放量减少1 6 是有可能的 3 3 太阳能以其清洁 用之不竭的特性近几年引起了人们的高度关注 太阳能的热利用 最近几年也有很好的发展 太阳能热利用技术是直接将太阳能辐射能转化为热能的利用 是新能源和可再生能源的重要组成部分 利用先进的太阳能系统 将太阳能资源应用到 山东建筑大学硕士学位论文 建筑物的制冷 空调 热水供应等系统中 可以有效的降低传统能源的消耗量 太阳能 资源潜力巨大 热水器利j j 技术成熟 具有良好的经济性和市场竞争力 闪此太i u 能热 利用在我i q 的r 叮再f l t f h 匕e 源利用中 甚至在今后的能源供应中都 叮以扮演一个承要的角色 1 2 地源热泵系统的研究现状 2 0 世纪3 0 4 0 年代 英国 美国等国已进入了热泵的研制丌发阶段 第二次世界 大战以后 美田许多大公司同时发展了各种热泵 其中以小型热泵空调器发展最为迅 速 出现了发展热泵的高潮h 1 在2 0 世纪4 0 5 0 年代期i i i j 美国和欧洲对地源热泵进 行了研究 如对地源热泵运行的实验研究 埋地盘管的实验研究 埋地盘管的数学模 型以及土壤热物性测试方面的研究等 1 9 7 3 年随着世界能源危机的出现 石油价格的 飙升 节约能源的需求越来越高 这一新的需求为地源热泵的推广起剑了重要的推动 作用 掀起了利用地源热泵对建筑进行冷热联供的研究和 l 程实践的新一轮高潮 技 术逐渐趋于成熟b 美国从2 0 世纪8 0 年代初丌始 在能源部 d o e 的直接资助下 由橡树岭和布鲁克海文等困家实验室 o r n l b n l 和饿克拉荷马州立大学 o k l a h o m a s t a t eu n i v e r s i t y 等研究机构开展了大规模的研究噶 9 1 为地源热泵的推广起到了重要 的作用 这一时期的工作主要集中在土壤的导热性能 地下埋管换热器的传热特性 不同地下埋管换热器形式对换热过程的影响及其模拟计算方法 目前美国发展最快的 工业之一是土壤耦合热泵供暖和制冷 全美有各类地源热泵系统6 0 多万套 1 9 9 8 年美 国商业建筑中地源热泵系统己占空调总量的1 9 其中新建建筑占3 0 目前 国外已 有大量工程实例和成型设计技术 地源热泵应用同益广泛 潜在着一个广阔的发展市 场 我国热泵技术的研究丌始于2 0 世纪5 0 年代 而地源热泵的发展则比较缓慢 在 2 0 世纪8 0 年代 首先是一些高校和科研机构对地源热泵的相关技术进行了专题研究 研究工作主要集中在地下埋管换热器的传热模型和传热研究 夏季瞬态工况数值模拟 研究 热泵装置与部件的仿真模型的理论和实践研究 地源热泵系统的设计和施工等 方面 到2 0 世纪9 0 年代 在国家自然科学基金委员会的帮助下 国内的许多高校进 行了更深入的研究 青岛建筑工程学院对竖着埋管的地源热泵进行了实验研究 对u 型埋管周围土壤温度场也进行了理论研究和试验测试 于1 9 9 8 年建立起了聚乙烯竖直 埋管地源热泵装置 o 1 1 9 9 8 年重庆建筑工程学院也建成了包括浅埋竖管换热器和水 平埋管换热器在内的试验装置 主要进行了1 5 米深的套管式竖直浅埋管传热的实验室 研究呲棚1 同济大学于1 9 9 0 年5 月搭建了地源热泵实验台 并进行实验研究 2 羽 湖 2 南大 f 2 3 2 5j 传热 北京 火学 热泵 大科 开创 术 的肇 程学 山东 直u 入了推广和普及阶段 大批以地源热泵的设计 制造和施工为主要业务方向的企业不 断涌现 据统计 截止到2 0 0 4 年底 类似企业已达8 3 家 我国政府一直积极倡导浅层热能等可再生能源的利用 支持热泵技术 并在多项 国家标准 行业标准及政策文件中明令推广 党中央提出建设节约型社会 提倡循环 经济的发展方针以来 地源热泵受到了更多的关注 2 0 0 5 年全国人大通过了 可再生 能源法 建设部将地源热泵供暖空调技术列入了新的建筑业十项新技术 目前 在政 府积极支持和倡导下 地源热泵应用f 1 益广泛 为建立节约型社会 解决面临的能源 危机问题提供了新思路 国内地源热泵在大量工程实例基础上 已经形成了广阔的发 展市场 地源热泵将成为极具潜力的产业 1 3 太阳能热利用技术的研究现状 太阳能热利用技术是直接将太阳能辐射能转化为热能的利用 是新能源和可再生 能源的重要组成部分 我国的太阳能热利用技术研究开发始于2 0 世纪7 0 年代术 其 重点主要集中于简单 低廉的低温热利用技术 太阳能热水器和太阳能干燥器等 这 类技术在农村得到推广应用 为缓解农村能源短缺 改善农村生态环境和农民生活起 到了积极地作用 并取得了令人满意的效果 2 0 世纪8 0 年代太阳能热水器进入了国家 六五 和 七五 科技攻关项目 主要 山东建筑大学硕士学位论文 的研发项目是高效平板太阳能集热器和全玻璃真空集热管 1 9 8 6 年引进了加拿大的铜 铝复合平板集热器板芯的生产线 并白行研制了与之配套的阳极瓴化的选择性涂层生 产线 这使闷内平板集热器的制造水平e 了一个新台阶 在2 0 世纪9 0 年代丌发了热 管真窄集热管并已投产 这些努力为中困太阳能热水器产 l kr t j 诞乍奠定了物质琏础 近年来 太刚能热利用方式主要是用 j 二城乡居民热水供应 太阳能热水器技术在 我园已经完全商业化 生产量和使用量都居世界第一 扼巾固工业竹能与清洁生产协 会公布的 2 0 1 0 中国节能减排产业发展报告 称 目前 中国太阳能热水器年产量达 到3 0 0 0 万平方米 总保有量达到1 5 亿平方米 可管代2 2 5 0 万吨标准煤或7 6 0 亿千 瓦 时电力 占社会总能耗的1 太阳能资源潜力巨大 热水器利用技术成熟 具有经济性和市场竞争力 因此太 阳能热利用在我国的可再生能源利用中 甚至在今后的能源供应中都可以扮演一个重 要的角色 1 4 太阳能土壤耦合热泵的研究现状 太阳能集热器和埋入土壤的盘管组合的设想是彭罗德 p e n r o d 于1 9 5 6 年首次提 出的 1 9 6 2 年 彭罗德描述了s e s h p s s o l 瓣e a n hs o u r c eh e a tp u m ps y s t e m 的工作 原理图 1 9 6 9 年 又给出了设计s e s h p s 的过程 包括太阳能集热器与埋地盘管的设计 3 l 上世纪7 0 年代 由于能源危机 美国有关机构加强了对地埋管地源热泵的研究 其中 包括了对土壤盘管参数的测试及其与太阳能集热器联合使用的混合系统的研究 1 9 7 8 1 9 8 1 年 美国布鲁克海文国家实验室 b r o o k h a v e nn a t i o n a ll a b o r a t o r y 对带圆柱 型地下储能罐的串联太阳能热泵系统进行了实验与模拟研究 研究结果表明 在冬季采 暖运行工况下 地下储能罐可以使太阳能热泵工作性能更稳定 而且可以减小辅助热源 装置的容量 3 2 1 随着计算机技术的迅速发展 计算机模拟技术已广泛地应用于s e s h p s 的性能研 究与设计方法中 m i n a l l i 应用复数有限傅立叶变换c f f t 和有限差分方法 模拟分析 了带地下圆柱形储能罐的太阳能供热系统的地下温度场分布 并就集热器面积 储能 容器容积及其埋设深度等因素 对地下温度场分布的影响进行了比较分析 3 3 3 4 1 在法 国 l 0 c i e l a b o r a t o i r eo p t i m i s a t i o nd e l ac o n c e p t i o ne ti n g e n i e r i ed e 1 e n v i r o n n e m e n t 实验室中v a l e n t i nt r i l l a t b e r d a l b e r n a r ds o u y r i g i l b e r t a c h a r d 等人于2 0 0 4 年在一个1 8 0 扩的独立建筑中安装g e o s o l g e o t h e r m a lh e a tp u m p a n d t h e r m a ls o l a rc o l l e c t o r s 系统 并对系统进行了大量研究 得到了系统全年运 4 s e s h p s 有无蓄热水箱时各联合供暖运行模式进行了数值模拟 提出了最佳运行模式 并进行了系统的优化设计 4 5 1 上海交大研究表明利用太阳能和上壤热能季节性直接供 热联冷 可减少地源热泵的年运行时间 年运行成本也仅为空气源热泵的1 2 为传统 地源热泵2 3 左右 具有极高的经济性 4 州 2 0 0 6 年 天津大学在天津某休闲会馆成功 建设了一套太阳能一地源热泵组合空调 热水系统 并初步将太阳能跨季节蓄热理念 付诸实践h 7 1 山东建筑大学与山东方亚地源热泵空调技术有限公司合作 2 0 0 9 年在德 州蔚来城小区项目中应用了季节性蓄热的太阳能一地源热泵复合系统 是实际工程中大 规模应用该技术的最新尝试m 引 1 5 太阳能土壤耦合热泵系统的研究意义 地源热泵是 种利用大地作为冷热源的热泵 通过热泵机组对建筑物实现供暖 空 调及提供生活用热水 见图1 1 地源热泵地上部分与普通热泵相同 所不同的是通过埋 设在地下岩土中的地热换热器将热量释放给土壤或者从土壤中吸收热量 从能量守恒的 5 山东建筑大学硕士学位论文 角度看 一个精心设计的地源热泵系统其实足以大地作为蓄能器 在夏季通过热泵机组 将建筑物内的热 甚转移到地下 冷却建筑物的同时储存了热量 以备冬季使用 冬季通 过热泉将大地中的低位热能提升温度后对建筑物供热 同时将建筑物内的冷鼍储存在地 下 以备夏季使用 该技术提高了空调系统令年的能源利用效率 真正实现了叮再乍能 源的良性生态合理地利用 然而地热换热器的吸放热不平衡现象在地源热泵空凋系统中是普遍存在的 在北方 寒冷地区 地热换热器冬季从大地吸收的热量远大于夏季向大地释放的热量 长期运行 会导致地热换热器周围土壤温度逐渐降低 热泵系统的c o p 值也随之降低 将造成地源 热泵系统性能的下降 系统无法满足设计要求 热泵的节能效果也就体现不出来 地表面 地下环路 图1 1 地源热泵运行原理图 针对上述情况 一种有效的方法是采用太阳能作为辅助热源 由太阳能集热器承担 一部分热负荷 则热泵系统可以按照夏季工况进行设计 这将大大降低地埋管部分的初 投资 我国的太阳能资源比较丰富 大部分地区的年同照时间都在2 0 0 0 d 时以上 根据 接收的太阳能辐射量的多少 分为5 个等级 将我国划分为5 个地区 图1 2 为我国太阳能 资源分布图 由图可见 我国北方地区 太能能资源比较丰富 这些地区又正是我国主 要的采暖区 据气象站资料统计 北方地区1 1 月至次年3 月的供暖期期间 日照率较高 大气透明度最好 因此 太阳能辅助供热有着良好的应用前景 在我国北方地区采用太 阳能一地源热泵系统供暖有广阔的发展空间 6 气阴晴 季节 昼夜等自然条件的影响 这些固有的缺点 制约了太阳能利用的发展 基于在暖通空调具体实践中 不管是土壤源热泵还是太阳能热泵 单一的热源都 存在其局限性 而太阳能土壤耦合热泵系统可以有效的解决各自的技术瓶颈 实现资 源的整合 优势互补 合理利用了资源 随着国家 可再生能源法 的颁布 新能源与可再生能源的应用得到了前所未有 的重视 虽然目前新能源利用的普及程度还不是很高 但这必然是人类可持续发展的 重要选择 太阳能一地源热泵系统正是响应国家政策 充分利用了蕴藏在地表和浅层的 地热能以及太阳能 有效的促进了空调水平的提高和人民生活质量的改善 节约了能 源 具有良好的发展f j f 景 1 6 课题研究的主要内容 1 分析太阳能作为热泵热源的特点 对太阳能热利用的主要设备 太阳能集 热器做了详细的调研 分析了太阳能集热器的热性能 2 为获得全年最大太阳能辐射量 对济南地区夏季和冬季太阳能集热器的最佳 安装方位角和倾斜角进行分析计算 以期得到夏季和冬季不同方位角所对应的最佳倾 斜角 3 分析土壤作为热泵热源的特性 谈淡分析了现场岩土热物性测试的方法与工 7 山东建筑大学硕士学位论文 程应用 4 利用白一t 研发的专业地埋管设汁模拟软件 地热之星 设计了沈阳 济南地 区某实际工程 验证了太阳能土壤耦合热泵系统的可行性 并对影响地下蓄热的影响 冈索进行了模拟 整理分析得出的上述凶素对蓄热最的影响以期作为实际工程优化设 计的依据 8 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章太阳能和太阳能热利用系统 2 1 太阳能的特点 太阳是崔k 地球最近的 颗恒足 它是一个温度极岛的球体 在太阳球心至甲 径1 4 处的球体 占总质最的4 0 总体积的1 5 和所产生能 毽的9 0 这唯的温度 为1 5 x 1 0 7 至平均半径的7 0 处 温度降至5 x1 0 5 再向外 至表层进一步 6 x 1 0 3 左右 2 1 1 太阳能的优点 1 数量巨大 实测表明 每年辐射到地球表面的可供人类利用的太阳能是目前全球人类每 利用的各种能源总和的2 0 0 0 0 倍 由此町见太阳能的数最巨大 2 时间长久 科学研究表明 太阳的寿命大约为1 0 0 亿年 而目自可太阳的年龄约为4 5 亿年 就是说太阳现在正处于青壮年时期 相比较人类百万年的历史来说 太阳的年龄 说足足够长了 所以说 太阳能是 取之不尽 用之不竭 并不会像地球上所蕴 常规能源那样 会在几百年甚至几十年以后就枯竭了 3 范围广阔 太阳能分布范围广阔 在地球上所有人类居住的地方都可以获得太阳能 只 于地理位置和气象条件的差异 各地实际接收到的太阳能辐射量会有所不同 4 清洁干净 太阳能在利用时清洁卫生 没有常规矿物能源燃烧后产生的二氧化碳 二氧化硫 等危害气体 不会对周围环境产生危害 这是太阳能所独有的优点 因此太阳能被人 们称为清洁的能源 2 1 2 太阳能的缺点 1 强度弱 虽然太阳能辐射到地球表面的能量总量相当巨大 但是太阳能能量的密度较低 强度较弱 由太阳常数可知 地球大气层外竖直于太阳辐射方向上的单位面积所能接 收的最大太阳辐射量为1 3 5 3 w 而穿越大气层实际能被人类利用的能量则更少 2 不连续 由于地球自转的影响 对于地球上的任何地区来说太阳能的的利用存在间歇性 9 山东建筑大学硕士学位论文 不连续性 平均来说在地球上有一半的时间处在黑暗之中 而另一半时间同样受到天 气条件的影响 这个缺点严重影响了太 i 能的推广利 j 3 不稳定 太阳能最人的缺点就是它的不稳定性 同 一地区 f i i 一时问段内太阳能的辐射强度 不同 i f 7 f 二d j 厉的太阳辐射强度最大 h 出前后的太阳辐射强度最小 同一1 地区不同 季节的人阳辐射强度更是筹别很大 冬季的太阳辐射强度远远比不上夏季 2 2 太阳能集热器 太阳能集热器是太阳能热利用系统的关键部件 是用来收集太阳辐射能并将产生 的热能传递到传热工质的装置 按集热方法的不同可以分为非聚焦式平板型太阳能集 热器和聚焦型太阳能集热器 按集热器结构的不同叮以分为平板集热器 真空管集热 器和热管真空管集热器 根据工作温度范嗍的不同可以分为低温集热器 工作温度在 1 0 0 以下 中温集热器 工作温度为1 0 0o c 2 0 0 之问 高温集热器 工作温度为 2 0 0 以上 实际上 以上分类是互相交叉的 平板集热器属于低温太阳能集热器 真空管集热器属于中温太阳能集热器 而聚焦型集热器属于高温太阳能集热器 2 2 1 平板型集太阳能集热器 平板型太阳能集热器是非聚焦型集热器 集热器表面为平板形状的透明盖板 太 阳辐射透过采光口直接射到吸收体上 这样就把太阳辐射能转化为集热器工质的热能 从而实现能量的转换 它可以同时利用直射和散射的太阳光产生热量 平板集热器技 术于2 0 世纪5 0 年代丌始发展 到2 0 世纪7 0 年代二次石油危机时期得到大规模发展 目前已经成为世晃上应用最广泛的太阳能集热器 它的特点是采光面积大 结构简单 工作可靠 初投资低 运行安全 不需维护 使用寿命长 但其热流密度和工质温度 较低 工作温度在1 0 0 以下 属于低温太阳能集热器 平板集热器被广泛用于日常生活的各个领域 如加热生活用水 游泳池用水 工 业用水以及建筑物采暖等 平板型太阳能集热器的主要构件有吸热体 透明盖板 隔 热层和外壳等 其典型构造如图2 1 平板集热器工作原理是 太阳辐射穿过透明盖板 投射在吸热板上 吸热板吸收投射过来的太阳能并转换成热能 传热板内的传热介质 吸收热量后温度升高 作为集热器的有用能量输出 传热板内的传热介质吸收热量温 度升高后会通过热传导 对流辐射等方式向外界散失能量 造成集热器的热损失 l o 山东建筑大学硕士学位论文 畚戳疆辩 逶啊麓饭 缓热体蕊热联蚌壳 图2 1 平板集热器结构示意图 2 2 2 真空管太阳能集热器 真空管太阳能集热器足采用透明管 通常为玻璃管 结构 在其管壁与吸热体之 间抽成真空的真空吸热器 它是在普通平极型太阳能集热器基础上发展起米的新型太 阳能集热装置 其典型构造如图2 2 他的特点是散热损失较小 不必跟踪聚光即可使 集热器温度达到l o o 1 5 0 c 因此比平板型集热器有更广泛的应用范围 可用于太阳 能热水 开水 太阳能采暖 制冷 空调 物质干燥 海水淡化 工业加热和热力发 电等领域 图2 2 玻璃吸热体真空管太阳能集热器示意图 研究发现 普通平板型太阳能集热器的主要热损失是其吸热板与透明盖板之间的 空气对流热损失 真空管太阳能集热器将透明盖板与吸热板之间抽成了真空 这样就 有效的减少了这部分对流散热损失 提高了集热器的热效率 为了防止抽成真空后透 明盖板因承受大气压力而损坏 真空管太阳能集热器的内管与外管问抽真空的全玻璃 真空管 将多根真空管用联箱连接起来 这样既可大大减少集热器的对流辐射和导热 造成的散热损失 使其在高工作温度和低环境温度下有较高的热效率 又町以保证太 山东建筑大学硕士学位论文 阳能集热器有足够的机械强度和工作可靠性 真空管太阳能集热器的最关键组成部分是真空管 真窄管由外层的玻璃管和内部 的i 殁热体组成 玻璃管和吸热体之f b j 抽成高度的真宅 吸热体表断有选择性吸收涂层 根扒吸热体材料的不同 真窄管太 能集热器可以分为玻璃吸热体真空管 全玻璃真 窄管 集热器和金属吸热体真空管 玻璃一金属真空管 集热器两大类 2 2 3 聚焦型太阳畿集热器 聚焦型太阳能集热器属丁高温型太阳能集热器 由于投射到半板型集热器上的太 阳能流密度较小 因此平板型太刚能集热器的i 质温度较低 所得到的热能品味较低 聚焦型太阳能集热器由聚光器以反射或折射的方式将投射到表面上的大量太阳能辐射 集中于很小的面积 焦面 上 因此可以明显增加投射到吸热体上的太阳能直射辐射 能流密度 得到高温高品位的热能 为人阳能高温利用提供了条件 普通的平板型太阳能集热器加上反射板翼就构成了简单的聚焦型太阳能集热器 可大大提高投射到吸热体上的太阳辐射能 如图2 3 图2 3 简单聚焦型太阳能集热器示意图 由于太阳散射辐射能难以被聚焦 因此聚焦型太阳能集热器只能利用太阳能直射 能 但是在高纬度地区太阳初升时聚焦型集热器可以比平板型太阳能集热器早收集到 太阳能 太阳降落时聚焦型太阳能集热器结束收集太阳能的时间又比平板型太阳能集 热器晚 因此 在高纬度地区 聚焦型太阳能集热器收集到的太阳直射辐射能比平板 型太阳能集热器收集到的太阳直射和散射辐射能之和还要多 在纬度为4 0 的地区 聚焦型太阳能集热器在天空晴朗时可比平板型太阳能集热器多收集到4 0 的太阳能 2 2 4 太阳能集热器的热性能 太阳能集热器的热性能计算可以通过其能量模型实现 包括太阳能集热器的能量 平衡方程和效率模型 太阳能集热器的能量平衡关系为单位时间内集热器吸收的太阳辐射能等于集热器 1 2 聚集型太阳能集热器的效率为 玎 一q u 尘 竺蔓 竺 二丝 垒 生 鱼二尘 2 5 gg g 一投射到集热器表面的总太阳辐射能 w m 2 l 一竖直入射的太阳直射能 w m 2 山东建筑大学硕士学位论文 础 口 倾斜角口对应的透明盖板透过率f 与吸热体吸收率口的乘积 吼一集热器的热损失系数 w m 2 f 一平板型集热器吸热板温度 乞一环境温度 f 如一聚焦型集热器吸热面温度 m 一工作介质的的质景流速 k g s o p 一工作介质的的比热值 j k g t 弦 0 一工作介质流入 流出集热器的温度 庐一聚焦型太阳能集热器表i 丽反射率p 与反射 折射人阳辐射能到达吸收体表面的比 率1 1 的乘积 4 如 一聚焦型太阳能集热器的聚光比 由集热器效率的计算公式可以看出 平板型太阳能集热器的效率与集热器的工作 温度 环境温度 太阳辐照度和集热器的热损失系数有关 聚焦型太阳能集热器的效 率与竖直入射到太阳集热器的太阳直射能 透明盖板透射率 吸热体吸收率 集热器 表面反射率 集热器的聚光比 集热器的热损失系数 吸热面温度 环境温度等因素 有关 2 2 5 集热器效率方程及效率曲线 1 集热器的效率方程 g 爿g 拟 2 6 q a 乙一乃 2 7 q q q 2 8 式中 卜集热器面积 m 2 g 一太阳辐照度 w m 2 磁 一透明盖板透射率与吸热体吸收率的乘积 一集热器总热损失系数w m 2 k 1 4 山东建筑大学硕士学位论文 乙一吸热体温度 i 一环境温度 骁一集热器在规定时问内输出的有h j 能键 w 9 一同一时段内入射到集热器上的人刚辐照能量 w 鲛一同一时段内集热器对周h 习环境损失的能量 w 将式 2 6 和 2 7 带入式 2 8 可得到 q a g r a 一a u 乙一i 集热器效率的定义为 在稳态 或准稳态 条件下 集热器传热工质在 内输出的能量与集热器面积和同一时段内入射到集热器 的太阳辐照量的乘 即 刁 将式 2 1 0 带入式 2 9 整理后得到 州吮一 孕 由于吸热体温度不容易测定 而集热器进e l 温度和出口温度比较容易测 集热器效率方程也可以用集热器的平均温度乙 巧 i 2 来表示 则有 刁堋毗一吼孚 式中 f 一集热器效率因子 乙一集热器平均温度 z 一集热器进口温度 z 一集热器出口温度 集热器效率因子f 的物理意义是 集热器实际输出的能量与假定整个吸热体处于 工质平均温度时输出的能量之比 尽管集热器平均温度可以测定 但由于集热器出口温度随太阳辐射照度变化而变 化 不易控制所以集热器的效率方程也可以用集热器的进口温度来表示 山东建筑大学硕士学位论文 叩硼 咄一 警m 毗一碱警 2 1 3 式中 斥一集热器热转移i 列子 集热器热转移凶予c 的物瑚意义是 集热器实酗 输出的能 鞋与假定整个吸热体处 于工质进l j 温度时输出的能鼍之比 集热器热转移凶子疋与集热器效率凶予f 之间有一定的关系 f f 2 1 4 式巾 f 一一集热器流动凶子 由于 1 所以碌 f 7 f 7 故 r o t f7 似 f r 缎 3 效率曲线的斜率值表示集热器总热损失系数的大小 效率曲线的斜率值与集 热器总热损失系数有直接关系 斜率值越大 即斜率曲线越陡峭 集热器总热损失系 数就越大 反之 斜率值越小 即效率曲线越平坦 集热器总热损失系数就越小 在 图2 4 中效率曲线的斜率值分别为叽 吼 足 同样由于1 f 最 故 叽 f u l 最 4 效率曲线在x 轴上的交点值表示集热器可达到的最高温度 当集热器的散热 损失达到最大时 集热器效率曲线为零 此时集热器达到最高温度 也称为滞止温度 或闷晒温度 用 7 0 4 4 入式 2 1 1 2 1 2 2 1 3 后 有 r p r 生兰 生三 堕 2 1 5 ggg 这说明此时的吸热体温度 集热器平均温度 集热器进口温度都相同 在图2 4 中 三条效率曲线在x 轴上有相同的交点值 2 3 太阳能集热器最佳倾斜角的确定 在太阳能地