太阳能-地源热泵系统运行特性的试验研究

在已建成的太阳能-地热能综合利用多功能热泵试验系统上进行了太阳能-地源热泵系统联合与交替供暖运行特性的试验测试,结果表明:联合运行模式不仅可以提高日间系统运行效率,且U型埋管可作为热源缓冲体自动储存日间富余太阳能,以改善夜间运行效率,联合运行测试期内太阳能与地热能热源的承担比例为43.3%:50.2%;交替运行模式可以在充分利用太阳能的前提下有效恢复埋管周围土壤温度,从而可提高太阳能与地热能的综合利用效率;整个供暖测试期内,地源热泵与日间太阳能热泵的平均COP分别为2.37、2.72,对应的太阳能-地源热泵系统联合运行模式、昼夜交替运行模式及太阳能-U型埋管补热交替运行模式的平均COP分别为2.69、2.65及2.56.     

基于埋地换热器的强化传热研究现状及展望

地埋管换热器作为直接与岩土接触进行取/释热装置,其换热性能决定了土壤源热泵系统的运行效率。地埋管换热器强化传热研究旨在提高土壤源热泵系统运行效率及地能利用率。通过对土壤源热泵地埋管换热器的研究进行综述,论述了地埋管换热器的研究现状及发展动态,分析影响地埋管换热器换热的主要因素及强化换热措施。兼顾理论知识及工程特点,提出目前研究存在的问题,指出日后研究方向及重点,并对土壤源热泵的发展进行展望。     

地源热泵U型管换热器夏季工况试验分析

U型管换热器设计是土壤源热泵系统应用的关键,埋管深度、管内流速、土壤初始温度、运行模式等都是影响其性能的主要因素,利用上海地区所建设的不同埋深U型换热器(60m,90m)土壤源热泵试验装置,进行了夏季工况试验,测得热泵运行前土壤初始温度分布;测试了热泵机组间歇和连续运行时换热器的换热情况;还针对不同埋管内冷却水流速,测得到了单位孔深换热量,结果表明增加冷却水流速并不能一味地提高其每延米换热量,埋管内冷却水流速存在一个最佳值。     

空气源蓄热式土壤源热泵系统模拟研究

提出了空气源蓄热式土壤源热泵系统,该系统将夏季自然空气热量蓄存于土壤中,冬季再由热泵取出供热,即实现了可再生能源的移季利用又能解决严寒地区应用土壤源热泵引起的土壤全年总取热量与总排热量失衡的问题.为研究系统运行特性,建立了系统全年仿真模型,并以哈尔滨某建筑为例进行了模拟计算.结果表明,经移季蓄热埋管管壁处土壤温度升高了3.2℃,显著改善了热泵运行条件,使得供暖保证率达到了99.5％,热泵性能系数为3.99,系统全年供热性能系数为2.56.证明了该系统在严寒地区应用是可行的.     

上海地区太阳能-地源热泵冬季联合运行试验研究

在上海地区完成了五种运行模式下太阳能-地源热泵联合运行供暖试验,分析比较不同模式系统运行特性,确定并联模式下上海地区居住建筑太阳能-地源热泵复合系统的较佳流量配比以及串联模式下的最佳串联方式。试验结果表明:并联运行模式中蒸发器出口流体进入蓄热水箱和地埋管的比例为1:1时为较佳运行模式,此模式下平均系统COP和运行结束时平均土壤温降分别为2.19和3.01℃;串联模式1的系统运行特性优于串联模式2,运行周期内串联模式1的系统COP和运行结束时平均土壤温降分别为2.12和3.33℃。     

夏热冬暖地区太阳能-空气源热泵复合热水系统试验研究

构建了一种并联式太阳能-空气源热泵复合热水系统,利用此系统对夏热冬暖的广州地区冬季热辐照强度高、中、低3种工况进行试验测试。针对低层建筑用户热水需求,模拟用户热水使用情况进行分时段放热水试验研究。试验结果表明:在用户热水实际需求的条件下,空气源热泵需提供的热量要大于太阳能系统所提供的热量,尤其在太阳能辐照度较低或者无太阳辐照时。3种工况下的太阳能日保证率分别为28.22%、11.2%、0,热泵机组日平均COP分别为5.17,5.48,5.1,复合系统平均COP分别为6.47,5.9,5.03。系统能在不同工况下充分耦合各种工作模式,高效、稳定地在冬季满足热水需求,而在太阳能热辐射情况下,复合系统COP较热泵COP显著提高。     

综合建筑群不同入住率下复合地源热泵运行策略模拟研究

综合建筑群集住宅商业办公为一体,在商业办公满负荷运行的条件下,运用数值模拟研究住宅小区30%、50%、70%、100%4种入住率条件时地埋管换热器运行情况,可以得出不同入住率下复合式地源热泵系统最优运行控制策略。结果表明,入住率为30%时采用过渡季节开启冷却塔散热,冬季采用地埋管取热的方式能达到最优运行效果;入住率为50%和70%时,夏季埋管全部使用,冬季只运行一半的运行方式最佳;入住率为100%时,采取地埋管换热器出口水温比对应时刻的湿球温度高2℃时开启冷却塔的方式,运行效果最佳。本文以土壤温升和优化系统运行效率为依据,对综合建筑复合式地源热泵系统的运行设计有一定的参考价值。     

土壤源热泵系统埋地换热器换热性能研究

对土壤源热泵系统埋地换热器的影响因素进行研究,分析三种获得土壤热物性参数的方法,得到利用现场测试法较精确.搭建实验台对埋地换热器传热量进行测试,发现室内负荷和埋管循环水流量对埋地管与土壤的换热量影响较大,利用圆柱源传热模型进行模拟验证,模拟结果与实验结果吻合较好.     

氨吸收式太阳能热泵-板式换热器联合供暖系统的理论与试验研究

构建一种槽式太阳能集热器、氨吸收式热泵和板式换热器联合供暖系统,探讨槽式太阳能集热器与板式换热器之间的最佳匹配关系。设定太阳能保证率为30%、40%、50%,板式换热器设计负荷占建筑负荷的20%、30%、40%、50%。建立数学模型对太阳能保证率和板式换热器换热量的组合形式进行计算,经过综合分析最终确定出当太阳能保证率在45%、板式换热器设计负荷占建筑负荷的30%时,系统达到最佳配比关系。在这种匹配关系下,系统COP为3.11,辅助加热量为520 kW·h。通过试验对构建的系统进行验证,结果表明,导热油出口温度的实测值与计算值误差为11%,供水水温的实测值与计算值误差为3%。误差在允许范围内,由此验证所建数学模型的正确性。     

强制渗流作用下的耦合式土壤源热泵运行模式研究

以多孔介质传热、传质理论以及有限长移动线热源模型为基础,建立了地埋管换热器井孔内、外传热数学模型。基于抽、回灌井不同运行时长,对耦合式土壤源热泵系统的全年运行过程进行了数值模拟。通过模拟计算,抽、回灌井运行24 h比抽、回灌井运行8,16 h地埋管单位井深换热量分别增加了32.7%,9.2%,对应能效系数提高了34.4%,11.2%,然而此时耗电量却增加了200%,50%。研究表明,抽、回灌井运行时间越长,地埋管单位井深换热量越高,系统的运行能耗持续增加。因此针对所建耦合式土壤源热泵系统,通过采取抽、回灌井开启10~14 h的运行模式,能够有效地降低系统的运行能耗,进而使该耦合式系统得到合理的应用。     

太阳能-地源热泵与热网互补供暖系统的仿真性能研究

以沈阳地区典型民用住宅建筑为例,对太阳能-地源热泵与热网互补供暖系统进行仿真研究。利用TRNSYS软件,建立太阳能-地源热泵与热网互补供暖系统仿真模型和地源热泵与热网互补供暖系统仿真模型,对2种系统的蒸发器进出水温度、热泵机组COP,及热网加热量进行对比分析,结果表明:太阳能-地源热泵与热网互补供暖系统相比地源热泵与热网互补供暖系统的平均出水温度提高了50.41%;平均进水温度提高了53.08%;平均COP由3.167增加到4.65;热网运行时间由1540h增加到2032h;热网供暖季的平均换热量由114566.62kJ/h减少到101257.27kJ/h。     

蓄取热工况下同轴套管式地埋管换热器周围土壤温度变化规律

为研究不同因素对同轴套管式地埋管周围土壤温度的影响,建立三维同轴套管式地埋管换热器非稳态传热数理模型,利用自建实验台开展试验对数理模型进行试验验证。在此基础上,对蓄取热工况下同轴套管式地埋管的非稳态传热过程进行数值模拟研究,分析了管径、回填材料、土壤初始温度等因素对同轴套管式地埋管周围土壤温度的影响,获得了不同因素对套管式地埋管换热器周围温度场的影响规律。研究结果表明：外管径相同时,内管径的变化对周围土壤温度场影响较小;径向距离0.4 m处,土壤初始温度为14℃时地埋管周围土壤温度最高为17.803℃;循环介质选用氯化钙比选用水换热量提高约23%。试验验证表明,所建模型最大相对误差为12.5%,具有合理性。研究结果显示蓄热时土壤初始温度越高的地区越有利于地埋管周围土壤储存热量,取热时循环介质选择氯化钙溶液可使系统高效运行。     

地埋管换热器传热特性模拟与试验研究

利用土壤源热泵试验系统,进行不同埋管间距下夏季连续运行试验,用FLUENT软件建立竖直U型地埋管换热器与土壤间的传热模型,对不同管间距的U型地埋管周围土壤温度场和地埋管换热器传热特性进行了数值模拟,将数值模拟结果与试验数据进行对比分析。通过分析,得到了不同埋管间距对土壤源热泵系统性能的影响大小,以及地埋管周围土壤温度场的变化对地埋管换热器换热性能影响规律,验证了所建立的模型和所用模拟条件的正确性。     

地源热泵和毛细管吊顶辐射采暖系统启动过程联合供热特性试验研究

采用试验的方法,分析了3口90m井地埋管换热器换热性能、热泵机组供热性能、毛细管辐射板供热能力、辐射板加热层温度、地板表面温度以及室内温度的变化特性.经过研究,得出了上海松江区大学城区域的地质条件下,热泵机组供暖期间,最大单位井深换热量78W/m.地源热泵机组提供28~35℃的低温热水时的COP值与制取40～50℃热水相比大大提高,节能效果显著.室内采用毛细管吊顶辐射采暖时,当进水平均温度37.5℃时,最大换热量达到了3512W(171W/m2),与进水平均温度29℃相比,其最大换热量增加了66.7%;另外,室内竖向空气存在明显温度梯度.     

地埋换热器温度场数值模拟及试验研究

土壤温度场的恢复特性是判定土壤源热泵系统长期稳定运行的重要依据。探讨了某住宅小区土壤源热泵系统的设计方法及主要部件地埋换热器的埋管方式。利用建筑热环境设计模拟分析软件De ST-h建立高层住宅建筑群模型,并进行全年空调负荷模拟。运用大型商业软件FLUENT模拟分析了土壤源热泵连续运行一个夏季和经过一个秋季过渡季后地埋换热器周围土壤温度场的变化和恢复情况,试验研究了制冷过程及制冷期后地层温度恢复过程不同地层的温度分布,结果与数值模拟基本吻合。最后,指出复合式土壤源热泵有利于促进土壤温度场的恢复,从而实现系统长期稳定地运行。     

闭式冷却塔-土壤源热泵系统夏季工况试验研究

为探究闭式冷却塔-土壤源热泵系统在不同控制策略下土壤温升与COP的变化情况,对其进行试验分析。试验结果表明:通过白天冷却塔-GCHP联合运行夜间关闭冷却塔(模式1)、白天冷却塔-GCHP联合运行夜间关闭热泵机组(模式2)和控制源侧流量的配比(模式3)与GCHP单独运行试验对比发现加入冷却塔能显著阻止COP下降,且连续制冷优于间歇制冷。模式3改善效果最佳,机组COP最大增幅为30%,最小减幅为17%;系统COP最大增幅为25%,最小减幅为16%。在土壤温升方面,3种模式均能减缓土壤周围温度的增加。在埋深30 m处,模式2效果最佳,土壤温升降低了24%;在埋深45 m和60 m处,模式3效果最佳,土壤温升降低了31%,对于上海夏季炎热需长期供冷地区,模式3为最优控制策略。     

基于圆柱源理论的热泵垂直U型地埋管模拟分析

基于圆柱源理论,建立了U型地埋管换热器传热模型,并进行了数值求解。计算结果表明,夏季U型地埋管换热器在给定进口温度和流量时,连续运行48h后,地埋管出口水温、壁面温度和单位延米换热量基本趋于稳定。单位延米换热量与热响应实验数据误差为3%,验证了模型的准确性。以某地区空调系统地埋管换热器设计为例,模拟分析了不同负荷特性下地埋管换热器的换热性能。模拟结果显示整个夏季运行中地埋管最大进口水温低于设定值37℃,满足机组运行温度要求,设计合理。可为实际的工程应用提供参考。     

不同入住率下住宅小区复合式地源热泵系统运行策略的研究

针对住宅小区不同入住率条件下复合式地源热泵系统运行策略优化问题,以合肥市的某住宅小区为研究对象,应用TRNSYS模拟软件建立小区复合式地源热泵系统仿真模型,分别对入住率为100%、70%、50%、30%4种情况进行了仿真模拟,以地源热泵系统全年能耗及土壤温升为优化依据。结果表明:在高入住率情况下,当地埋管出口水度大于22℃时开启冷却塔为最优运行策略;在低入住率情况下,夏季靠地埋管+冷却塔散热、冬季从地埋管吸热的运行控制策略最优,极低入住率(30%以下)情况下,采用夏季靠地埋管散热、冬季从地埋管吸热的地埋管地源热泵系统更加经济。研究内容对住宅小区的复合式地源热泵系统设计和运行有一定的参考价值。     

地源热泵供热水-空调冷热联供综合系统的实验研究

介绍了作者自主设计实施的地源热泵热水-空调冷热联供系统,运用单因素方法,研究地埋管总深度、地埋管及空调的循环介质流量等对热泵系统运行特性的影响,提出土壤源制热水和冷热联供两种工况下的合理运行方式。研究结果表明土壤源制热水间歇运行时既满足生活热水需求,又避免土壤源长期过度取热;夏季采用空调冷凝热为建筑制冷的同时制取生活热水,机组综合能效比达1:7以上,使热水系统全年运行成本大大降低。     

双源复合热泵供暖系统的试验研究

为降低建筑能耗和提升可再生能源的利用率,建立了双源复合热泵供暖系统的试验装置。通过试验,分析了采暖季不同天气工况下系统的运行情况。结果表明:系统运行连续、稳定,系统能够满足不同天气情况的建筑供暖需求;晴天测试日太阳能热泵供暖运行性能系数平均COP值为4.3,测试日空气源热泵供暖性能系数平均COP值为2.2,双源复合热泵供暖系统与单空气源热泵供暖相比具有明显的节能优势。