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地源热泵系统利用混凝土路面季节性蓄热的可行性分析

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可再生能源 2013年第6期31卷 117-120页

作者：曹厚兴曲云霞徐建军山东建筑大学热能工程学院山东济南250101

针对寒冷地区单一供暖模式下,长期应用土壤源热泵系统进行供暖所出现的系统冬季制热性能系数下降,出力不足等问题,介绍了混凝土路面蓄热系统的运行原理和传热机理,对路面蓄热系统的热量进行了计算,并与冬季居住建筑所需的采暖负荷进行... 详细信息

针对寒冷地区单一供暖模式下,长期应用土壤源热泵系统进行供暖所出现的系统冬季制热性能系数下降,出力不足等问题,介绍了混凝土路面蓄热系统的运行原理和传热机理,对路面蓄热系统的热量进行了计算,并与冬季居住建筑所需的采暖负荷进行了对比分析。探讨了利用混凝土路面季节性蓄热的可行性。

关键词：混凝土路面地源热泵季节性蓄热热平衡

基于地埋管的太阳能季节性蓄热的地下传热分析及其工程应用

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基于地埋管的太阳能季节性蓄热的地下传热分析及其工程应用

作者：刘潇山东建筑大学

学位级别：硕士

本文提出传统地源热泵和太阳能季节性蓄热系统的运行方案和控制方式,在TRNSYS里对两种系统构建了相应的模型,进行了模拟,并分析了两种系统全年地热换热器周围土壤温度随时间的变化情况。在系统模型里对各参数进行设定,其中土壤的初始温... 详细信息

本文提出传统地源热泵和太阳能季节性蓄热系统的运行方案和控制方式,在TRNSYS里对两种系统构建了相应的模型,进行了模拟,并分析了两种系统全年地热换热器周围土壤温度随时间的变化情况。在系统模型里对各参数进行设定,其中土壤的初始温度为15.2℃。首先模拟了系统运行1年和20年土壤温度随时间的变化,分析得出传统地源热泵系统从第一年制热季开始到次年制热季结束,土壤最低温度为14.27℃,太阳能季节性蓄热系统为15.03℃,比地埋管耦合热泵系统的土壤温度高出0.76℃。两种系统运行20年的数据显示地源热泵系统的最低温度为12.9℃,太阳能季节性蓄热系统的最低温度为15.51℃,两者的温度相差2.61℃,并且季节性蓄热系统地下土壤温度的均值呈现上升趋势,相反地源热泵系统的土壤温度呈现下降趋势。同时对地埋管耦合热泵和季节性蓄热系统一年的运行数据进行对比分析,得出一年之后太阳能季节性蓄热系统比传统地源热泵系统的土壤温度全年整体平均温度高出0.55。C。对于实际工程分别对地温测试孔、换热孔兼地温测试孔和太阳能回灌孔进行了测试并获得了大量的实测数据。分析表明：同一钻孔不同深度处土壤温度随时间的变化趋势-致,不同埋深处土壤的温度不同,埋深越深温度越高;在同一深度下太阳能2#回灌孔温度最高,换热孔22#次之,地温监测孔 33#温度最低;太阳能季节性蓄热系统与传统地源热泵相比,它使得土壤温度升高,温度升高的幅度基本保持在0.8℃;同一时刻太阳能2#的温度高于22#的温度,且回灌钻孔的波动幅度要小于地温换热孔的波动幅度。对模拟数据和实测数据分析对比之后发现：模拟数据在过渡季呈现出缓慢上升的趋势并且上升的趋势越来越缓,而实测数据过渡季土壤温度呈现下降的趋势,模拟数据与实测数据差别较大,说明所建立的地热换热器模型与实际换热器的匹配度较低。出现此现象的主要原因是地热换热器模型是一个简化的传热模型不能将埋管区域复杂的地质条件体现在模型里面,而实际的埋管区域地质里砂岩层占的比例最大,在砂砾层和砂土层中水渗流的速度大会出现显著的渗流现象,水径流对换热过程产生了很大的影响。模型研究及实测数据表明：基于地埋管的太阳能季节性蓄热系统的地下温度要高于传统地源热泵的温度,模拟数据的温度高出0.55℃,实际工程测试数据的温度高出1℃,说明在传统的地埋管耦合热泵系统的基础上加入太阳能热的回灌之后土壤温度有明显的升高。将太阳能输入到地下增加了地下蓄热体存储的热量作为冬季建筑物空调末端的热源,能够降低地源热泵冬季提热多夏季放热少造成的冷热负荷不平衡问题,有利于提高可再生能源的利用率,同时有助于解决寒冷和严寒地区的冬季供暖问题,降低雾霾天气发生的几率。

关键词：太阳能地源热泵季节性蓄热复合系统地下温度场

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废弃矿井巷道季节性蓄热特性研究

废弃矿井巷道季节性蓄热特性研究

作者：赵淑红中国矿业大学

学位级别：硕士

随着矿产资源的深入开采，大量的地下巷道、硐室被弃之，废弃矿井引起资源浪费的同时带来严重的环境问题。伴随着不可再生能源紧缺及环境保护的需要，开发和利用清洁能源显得格外重要，国内外对废弃矿井和能源利用相结合的研究也随之兴... 详细信息

随着矿产资源的深入开采，大量的地下巷道、硐室被弃之，废弃矿井引起资源浪费的同时带来严重的环境问题。伴随着不可再生能源紧缺及环境保护的需要，开发和利用清洁能源显得格外重要，国内外对废弃矿井和能源利用相结合的研究也随之兴起。结合太阳能集热器的废弃巷道季节性蓄热水技术，本文首先对其相关的传热及流动理论进行分析，利用数值模拟与实验对比分析的方法，研究倾角因素和长度因素对巷道蓄热特性的影响。对巷道蓄热原理及内部的耦合换热过程和控制方程进行了分析，在提出合理假设的基础上，建立了适用于巷道季节性蓄热的三维非稳态湍流数值模型。并利用有限体积分析软件FLUENT，对其温度场和流场进行数值模拟，研究巷道季节性蓄热的特性。处于地下300米深处的水平巷道在夏季储存90℃的热水，蓄热三个月后热水温度仍保持在47℃左右，蓄热期间热水平均温度降低速率逐渐减小，且由于自然对流的存在巷道上部的热水温度普遍高于下部各对应点处的温度。蓄热开始的前20小时内热水向岩石散热速度最快，且该期间内热流密度变化幅度最大，其值降为初始时刻的50%左右，在蓄热约600小时后热流密度基本稳定不变。巷道围岩的等温线是以巷道几何中心为中心的一系列同心圆，且蓄热三个月后其温度波及岩石的最大半径约为13m。为了验证理论模拟结果的准确性，自行设计并搭建了与实际巷道尺寸比为1:20的模型实验台。对其内部热水及外围岩石的温度场进行测试，并与数值模拟结果进行比较，两者有较好的一致性。通过改变巷道的倾斜角度及长度进行数值分析与计算，结果表明倾角与长度的增加均能减弱巷道内热水总的自然对流强度，增强保温效果。提出了采用非连续多次注水及利用太阳能集热器进行中间加热二次蓄热的两种优化方案。证明了巷道季节性蓄热水的实用性，并对数值模拟与实际情况的差异性分析指出巷道季节性蓄热水的实际效果比数值模拟效果更好。

关键词：废弃巷道季节性蓄热特性数值模拟实验研究

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地埋管季节性蓄热的地下传热分析

地埋管季节性蓄热的地下传热分析

作者：韩明坤山东建筑大学

学位级别：硕士

针对我国北方寒冷地区,冬季采暖时间长,夏季空调时间短,导致地埋管地源热泵系统地下冷热负荷热不平衡问题,提出了基于地埋管的太阳能季节性蓄热方法,对地埋管换热器传热及其影响因素进行了分析。研究结果表明：在寒冷地区,利用地埋管进... 详细信息

针对我国北方寒冷地区,冬季采暖时间长,夏季空调时间短,导致地埋管地源热泵系统地下冷热负荷热不平衡问题,提出了基于地埋管的太阳能季节性蓄热方法,对地埋管换热器传热及其影响因素进行了分析。研究结果表明：在寒冷地区,利用地埋管进行太阳能蓄热,有利于地源热泵长期有效运行。建立了地埋管跨季蓄热地下传热物理与数学模型,采用数值模拟的方法,模拟计算了地埋管换热器地下温度场,分析了土壤的蓄热特性以及地埋管间距、土壤热物性等主要因素对地下换热的影响。对单一地埋管和地埋管管群分别进行了模拟分析,探讨了埋管间距离、地埋管循环液速度和温度对地下温度场影响,并利用太阳能—浅层地热能复合空调系统实验台进行了实验研究和数值模拟结果验证。得到了以下主要结果： (1)地埋管传热模型及其数值模拟结果与实验结果比较,两者在蓄热过程中地埋管循环液进、出口温度变化趋势相同且数值相差不大。 (2)进行了冬、夏季两种工况的数值模拟,地下温度场分布表明,寒冷地区热负荷远大于冷负荷,利用地源热泵系统中地埋管进行太阳能蓄热,能够使地下温度场得到有效恢复,有利于地下冷热负荷平衡。 (3)地埋管间距,对热利用率有影响。当埋管间距为5m时,夏季蓄热量和冬季取热量明显优于间距为3m的情况。可通过适当增大地埋管间距,达到提高每米钻孔的换热量以适当减少钻孔数量的日的。 (4)地埋管管内循环液流速不宜过大。流速过大时,土壤的蓄热量提高幅度不大,但由此造成了循环水泵能耗的较大增加。较为合适的流速范围为0.4-0.6m/s。

关键词：地埋管地源热泵季节性蓄热复合系统

典型气候条件下太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统性能研究

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典型气候条件下太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统性能研究

作者：李好上海交通大学

学位级别：硕士

能源和环境问题是我国社会发展过程中面临的主要问题之一,而随着社会的发展和进步,我国的供热需求日益增大,使用太阳能和地热能等清洁能源供热可以有效缓解我国的能源短缺和环境污染问题。本文提出了一种大规模应用的太阳能-地源热泵季... 详细信息

能源和环境问题是我国社会发展过程中面临的主要问题之一,而随着社会的发展和进步,我国的供热需求日益增大,使用太阳能和地热能等清洁能源供热可以有效缓解我国的能源短缺和环境污染问题。本文提出了一种大规模应用的太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统,并对该系统在典型气候下的运行情况建立了模型,将模型与前人的实测结果进行了对比验证,确保了模拟分析的合理性。在此基础上分析该系统在上海地区气候条件下的运行情况并优化系统设计。最后对比研究了该系统在我国夏热冬冷、寒冷和严寒地区的能效与适用性。首先提出太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统的结构和运行模式,该系统主要由太阳能集热子系统、地埋管蓄热子系统、集中供热子系统和建筑负荷四部分组成,根据供热需求和气候特点确定系统的运行模式,包括蓄热模式和多种供热模式。然后,基于TRNSYS软件建立太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统的模型,并根据太阳能和地源热泵相关的规范和标准选取合理的参数。然后分别选取实际系统的运行结果与模拟的太阳能季节性蓄热供热系统的运行结果进行对比验证,对比发现模型的运行结果与实测系统的结果基本吻合,因此认为该TRNSYS模型是合理的。然后对该系统在上海地区的运行特性进行了分析。分析结果表明,蓄热季的起始时间为4月份时,蓄热土壤温度升高28.9℃,系统全年蓄热量为3136.8 GJ,蓄热土壤的平均蓄热率为79.4%,系统的太阳能保证率为35%,全年能效比为6.07。在此基础上改变蓄热季的起始时间,得到4月份为蓄热季的最佳起始月份。然后通过优化集热器面积和蓄热体体积提高系统的太阳能保证率,分别得到优化后的集热器面积与全年热负荷比值为3.0 m/MWh,蓄热体体积与集热器面积的比率为6.5 m/m。最后分析比较了在相同的供暖面积下太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统在典型气候条件下的运行情况。分别选取沈阳、北京和上海作为严寒地区、寒冷地区和夏热冬冷地区的代表性城市,对该系统在在这三个城市的运行情况进行模拟。分析结果显示三个城市的年平均集热器效率由高到低分别为上海、北京和沈阳;蓄热体温度分别升高34.6℃、33.0℃、34.5℃,三个城市的蓄热量分别为2723.2 GJ、2764.1 GJ、3325.0 GJ,平均蓄热率分别为75.15%、75.30%、77.34%,蓄热体土壤的初始温度越低,土壤蓄热率越高,蓄热效果越好;上海地区、北京地区和沈阳地区的太阳能保证率分别为45%、26.7%和15.7%,全年能效比分别为6.7、6.0和5.4,说明太阳能-地源热泵季节性蓄热供热系统的方案在寒冷地区和严寒地区也同样适用且具有良好的节能效果。对该系统在严寒地区和寒冷地区分别进行优化,严寒地区优化后的集热器面积与全年热负荷比值为4.0 m/MWh,蓄热体体积与集热器面积的比率为4.0 m/m,太阳能保证率为21.2%。寒冷地区优化后的集热器面积与全年热负荷比值为4.0 m/MWh,蓄热体体积与集热器面积的比率为4.0 m/m,太阳能保证率为35.8%。

关键词：季节性蓄热供热太阳能地源热泵 TRNSYS模型

太阳能季节性蓄热—土壤源热泵蓄热系统设计软件的开发

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太阳能季节性蓄热—土壤源热泵蓄热系统设计软件的开发

作者：盖亚琦哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

我国有70%的地区冬季需要供暖，其中绝大部分地区是以煤等传统能源为燃料的，这不仅加剧了传统化石能源的消耗，同时也带来了环境的污染，在此背景下，本文对太阳能季节性蓄热—土壤源热泵这一新型、节能环保的供暖系统的蓄热系统的设... 详细信息

我国有70%的地区冬季需要供暖，其中绝大部分地区是以煤等传统能源为燃料的，这不仅加剧了传统化石能源的消耗，同时也带来了环境的污染，在此背景下，本文对太阳能季节性蓄热—土壤源热泵这一新型、节能环保的供暖系统的蓄热系统的设计进行了研究。该太阳能季节性蓄热系统主要有两部分组成：一是太阳能集热系统;二是土壤蓄热系统。其作用是将非采暖季的太阳能收集之后，蓄存于土壤之中，以作为冬季供暖时热泵的热源，实现了太阳能的转季利用。本文首先研究总结太阳能辐射强度的计算方法，太阳能季节性储存的方法，土壤热物性和U型埋管换热器在蓄热取热时的传热机制;然后建立了U型埋管换热器长度计算和校核的数学模型以及太阳能集热板面积计算的数学模型。在所建立的数学模型的基础上，使用VB编程语言编制了太阳能季节性蓄热—土壤源热泵蓄热系统的设计软件。然后利用此软件对哈尔滨地区一栋使用太阳能季节性蓄热—土壤源热泵系统供热的三层办公建筑的季节性蓄热系统进行了设计，该建筑的采暖面积约1100m2，建筑热负荷为38.9kW，该软件计算需要的钻孔长度为1125m，钻孔数量为20，钻孔深度为56m，埋管所需室外面积为500m2;所需太阳能集热板的面积为112m2。最后，为了验证所编软件的可靠性，使用TRNSYS16动态模拟软件建立了太阳能季节性蓄热—地源热泵系统的计算机模型，并将用所编制设计软件得出的设计结果作为TRNSYS16模拟软件的参数进行模拟分析，验证结果表明：蓄热系统在蓄热季储存到土壤中的热量大于在供暖期热泵从土壤中取出的热量，整个系统是可以长期运行，使用自编软件设计的蓄热系统是可靠地。

关键词：太阳能季节性蓄热热泵 VB编程 TRNSYS16

用于温室的太阳能季节性蓄热系统的运行特性研究

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用于温室的太阳能季节性蓄热系统的运行特性研究

作者：刘维上海交通大学

学位级别：硕士

本文提出了一种用于温室的太阳能季节性蓄热系统，将夏季和其他季节多余的太阳能蓄存在地埋管蓄热区，冬季时抽取出来以满足供热需求。以一玻璃温室为应用对象，开展太阳能季节性蓄热系统的实验和优化分析。首先，搭建太阳能季节蓄热系... 详细信息

本文提出了一种用于温室的太阳能季节性蓄热系统，将夏季和其他季节多余的太阳能蓄存在地埋管蓄热区，冬季时抽取出来以满足供热需求。以一玻璃温室为应用对象，开展太阳能季节性蓄热系统的实验和优化分析。首先，搭建太阳能季节蓄热系统的实验数据采集装置，并以此为依托，进行不同季节系统运行特性的实验研究。研究表明，在平均温度31.1oC的夏季，通过湿帘等通风降温，可以使温室整体保持在室外温度以下1.3～3.1oC;在平均温度5.3oC的阴雨冬季，通过地埋供热，晚间温室的温度比室外高7.9～9.9oC;在平均温度1.1oC的晴朗冬季，通过地埋和蓄热水箱供热，晚间温室的温度比室外高9.6～12.6oC。其次，建立用于温室的太阳能季节性蓄热系统的TRNSYS模型，通过Fortran编制了新组件，实现了模拟系统水箱蓄热、水箱供热、地埋供热等模式控制与切换运行。再次，进行太阳能季节性蓄热系统的模拟与优化分析。对温室进行负荷分析后发现，采用外遮阳后，冷负荷可以下降32%;采用内幕帘后，热负荷可以下降37%。在以太阳能保证率为目标优化系统参数后，系统保证率可以提高19.1%，达到73.1%。在优化后的系统参数下，蓄热水箱全年可以输出632.7GJ的热量，其中244.9GJ直接为温室供热，另有387.8GJ存入地埋蓄热区域。在供热季，蓄入地埋的热量被抽取出103.4GJ为温室供热。

关键词：供热季节性蓄热太阳能保证率 TRNSYS模型

基于地理管的太阳能季节性蓄热的地下传热数值分析

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基于地理管的太阳能季节性蓄热的地下传热数值分析

作者：王艳山东建筑大学

学位级别：硕士

地埋管地源热泵系统近年来在建筑工程中得以迅速推广应用。地埋管地源热泵适用的条件之一是地下冷热负荷基本平衡,这在一定程度上限制了其在我国北方寒冷地区的应用。热负荷大于冷负荷时，土壤的温度场得不到有效恢复,导致地源热泵的效... 详细信息

地埋管地源热泵系统近年来在建筑工程中得以迅速推广应用。地埋管地源热泵适用的条件之一是地下冷热负荷基本平衡,这在一定程度上限制了其在我国北方寒冷地区的应用。热负荷大于冷负荷时，土壤的温度场得不到有效恢复,导致地源热泵的效率降低甚至停止运行。为了解决当这一问题,本文对以地埋管地源热泵系统为基础的太阳能季节性蓄热进行了初步研究。基于地埋管的太阳能季节性蓄热既弥补了地埋管地源热泵的局限性,又充分利用了太阳能,而且克服了太阳能昼夜交替及季节性变化、间歇性、不可靠性等问题。首先以地埋管换热器与土壤的传热蓄热为研究对象,建立了地埋管与土壤传热的三维数值模型。通过数值模拟,对蓄热特性进行了分析。蓄热不仅能够通过补热使土壤的吸、放热平衡,也能够增大冬季地埋管内流体的进出口温差,增大换热量。其次对单个埋管的蓄热情况进行了模拟,分析了埋管换热器运行两年土壤的温度变化情况,并且给出了土壤夏季的蓄热量、冬季的取热量及取热率。模拟了土壤的热作用半径与蓄热时间的关系。接着模拟了多个埋管的蓄热情况。分析了埋管间距、流体进口温度、流体进口速度、土壤的热物性等多种因素对蓄热的影响。重点对各影响因素的温度场、蓄热量、取热量进行了分析。并对单个埋管蓄热和多个埋管蓄热夏季单位钻孔的蓄热量和冬季单位钻孔的取热量进行了分析比较,得出管群蓄热的热利用率大于单管的。最后,研究了间歇运行对土壤温度场和埋管夏季蓄热的影响。而且,探讨了秋季蓄热和夏季蓄热的差别,分析了夏季蓄热和秋季蓄热的热利用率等。同时,研究了部分地埋管蓄热以恢复整个蓄热体温度的可能性。研究结果表明：利用已有地埋管进行太阳能季节性蓄热可行,对寒冷地区十分必要。上述成果与结论,对太阳能季节性蓄热的研究与应用具有指导与借鉴作用。

关键词：地埋管热利用率季节性蓄热

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季节性蓄热太阳能地板供暖系统的性能研究

节能技术 2011年第1期29卷 24-27页

作者：刘立平张华上海海洋大学食品学院上海201306 上海理工大学动力工程学院上海200093

本文建立了季节性蓄热太阳能地板供暖系统的数学模型,以上海一栋别墅建筑为实例,给出了系统中蓄热水箱的平均水温变化。同时分析了太阳能集热器面积、蓄热水箱容积、建筑热损失系数及地板供暖系统每天运行时间对系统性能的影响,为该系... 详细信息

本文建立了季节性蓄热太阳能地板供暖系统的数学模型,以上海一栋别墅建筑为实例,给出了系统中蓄热水箱的平均水温变化。同时分析了太阳能集热器面积、蓄热水箱容积、建筑热损失系数及地板供暖系统每天运行时间对系统性能的影响,为该系统的优化设计提供参考。

关键词：太阳能地板供暖季节性蓄热太阳能保证率