中文摘要 本文在分析太陽能熱泵、土壤源熱泵及聯(lián)動供熱特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種 新型的節(jié)能系統(tǒng)：太陽能土壤源耦合熱泵系統(tǒng)。由于太陽能照射強(qiáng)度具有隨季 節(jié)性變化的特點(diǎn)，非采暖季太陽能輻射強(qiáng)度通常較高。通過對不同時段太陽輻射 強(qiáng)度的監(jiān)測，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，建立了太陽能集熱器數(shù)學(xué)模型，制定了 實(shí)驗(yàn)測試方案。主要研究在多孔介質(zhì)中蓄熱過程的傳熱傳質(zhì)特性，分析了土壤熱 惰性、不同巖層巖石特性、非均質(zhì)性以及地下水徑流對熱傳播半徑的影響等特點(diǎn)， 提出了在非采暖季進(jìn)行土壤蓄熱的理論和可行性。在實(shí)驗(yàn)研究中，通過對非采暖 季太陽能蓄熱過程的監(jiān)測，分析了通過土壤蓄熱達(dá)到提高土壤溫度，提高熱泵系 統(tǒng)的性能指標(biāo)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。 本文重點(diǎn)研究了太陽能熱泵耦合系統(tǒng)運(yùn)行模式的節(jié)能效果，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)建立了系統(tǒng)的熱泵機(jī)組數(shù)學(xué)模型、土壤換熱器數(shù)學(xué)模型。安裝了井下土壤溫度 測試探頭，搭建的太陽能一土壤源耦合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)蓄熱、太陽能熱 泵、太陽能一土壤源耦合熱泵、土壤源熱泵等多種循環(huán)運(yùn)行模式。 通過非采暖季為時一個月的太陽臺匕_ 土壤蓄熱實(shí)驗(yàn)，供暖期太陽能輔助土壤 源熱泵供暖、太陽能一土壤源熱泵聯(lián)合供熱、土壤源熱泵獨(dú)立供暖的實(shí)驗(yàn)，對實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面分析，并根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。 針對供暖季采用串聯(lián)模式和并聯(lián)模式供暖進(jìn)行了優(yōu)化分析，在理論模型的基 礎(chǔ)上編制了模擬計算軟件。結(jié)果表明：對于小規(guī)模供暖用戶，串聯(lián)供暖模式經(jīng)濟(jì) 效益較差，不可行；并聯(lián)模式較單獨(dú)用土壤源熱泵進(jìn)行供暖效果較好，在供熱負(fù) 荷確定的情況下，太陽能集熱器面積存在一個最優(yōu)值，系統(tǒng)費(fèi)用年值最小，運(yùn)行 方案最優(yōu)。 關(guān)鍵字：太陽臺卜土壤源熱泵耦合系統(tǒng)土壤蓄能太陽能輔助優(yōu)化經(jīng)濟(jì) 性評價 a b s t r a c t t h es g s h p si sp r o p o s e di nt h i sp a p e l b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f s a h p g s h pa n dt h ec o u p l e ds y s t e m s o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t yh a st h es e a s o n a l c h a r a c t e r i s t i c i ti sn o r m a l l yh i g hi nn o n - h e a t i n gs e a s o n t h em o d e lo ft h es o l a r c o l l e c t o r sa n de x p e r i m e n tt e s tp l a ni se s t a b l i s h e du s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es o l a r r a d i a t i o ni n t e n s i t yi sh i g hi nt h en o n - h e a t i n gp e r i o dt h r o u g hm o n i t o r i n gt h es o l a r r a d i a t i o ni n t e n s i t y t h et h e o r yo fs t o r a g ei nt h ee a r t hi sa d v a n c e db a s e do nt h e a n a l y s i so ft h et h e r m a li n e r t i ao ft h ee a r t l xt h er o c kc h a r a c t e r i s t i ca n da n i s o t r o p i e si nd i f f e r e n t r o c kl a y e r 船w e l la st h ei n f l u e n c eo ft h eh e a td i s s e m i n a t i o nr a d i u sb yt h eg r o u n dw a t e rr u n o f f t h r o u g hs t u d y i n gt h eh e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee a r t hp o r o u s m e d i u m t h r o u g hm o 血o r i l l gt h ep r o c e s so ft h es t o r a g ed u r i n gt h er e s e a r c ho ft h e e x p e r i m e n t ，t h ee c o n o m i c sa n dt h ef e a s i b i l i t y0 nh e i g h t e n i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h eh e a tp u m p w e r ea n a l y z e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so f h e i g h t e n i n gt h et e m p e r a t u r eo f t h ee a r t h n l em o d e l so ft h es o l a rc o l l e c t o r s h e a tp u m p sa n dt h eg r o u n dh e a te x c h a n g e r sw e r e e s t a b l i s h e dc o m b i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h et 鋤p e r a n l r ep r o b ew a si n s t a l l e du n d e r t h eg r o u n d n l ee x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sb u i l tt or e a l i z et h ec y c l ep a t t e r n so fa q u i f e r s t o r a g e , s o l a rh e a tp u m p ( s h p ) ，s o l a r - g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ( s g s h p ) ，g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ( g s h p ) 。a n ds oo i l 1 1 1 ee x p e r i m e n to fs t o r a g ei nt h ee a r t hi nn o n h e a t i n gp e r i o di sc a r r i e do nf o ro n e m o n t h t 】ke x p e r i m e n t so fs o l a rh e a tp u m p ，s o l a r - g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p g r o u n ds o u r c e h e a tp u m pi se n g a g e di nh e a t i n gp e r i o d t h e nt h ed a t u mw a s a n a l y z e d ，u s i n gw h a tt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e i s i nt h i sp a p e r ，t h ec a l c u l a t i n gp r o g r a mw a se s t a b l i s h e db a s e do i lt h et h e o r e t i c a lm o d e l s t od ot h eo p t i m i z e da n a l y s i so ft h es y s t e m s a i m sa tt h es e r i e sc o n n e c t i o na n dp a r a l l e l c o n n e c t i o np a t t e r n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h es e r i e sc o n n e c t i o np a t t e r ni sn o tf e a s i b l e f o rs m a l l s c a l ei n d e p e n d e n t b e c a u s eo ft h ea m o u n to fr e v e n u ei sn o ts u m c i e n tt of i l l t h ei n c r e a s ei nt h ec o s to fi n i t i a li n v e s t m e r i t t h eh e a t i n ge f f e c to ft h ep a r a l l e l c o n n e c t i o np a t t e r ni sb e t t e rt h a nt h eg s h p a n d i nt h es i t u a t i o no ft h eh e a t i n g1 0 a di s d e f i n i t e ，t h ee x p e a s ey e a rv a l u eo ft h es y s t e mi ss m a l l e s tw h e nt h es o l a rc o l l e c t o ra r e a i sm o s to p t i m i s t i ca n dt h eo p e r a t i o np l a ni sm o s ts u p e r i o r k e yw o r d s ：s g s h p s a q u i f e rs t o r a g e s o l a ra s s i s t e d o p t i m i z a t i o n e c o n o m i ce v a l u a t i o n 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文符號表 英文字母符號 希臘字母 口 a 盧 v v 符號表 定壓比熱容，j ( k g k ) 水的質(zhì)量流量，k v s i 時刻太陽能輻射強(qiáng)度，w m 2 普朗特數(shù) 努謝爾數(shù) 雷諾數(shù) 溫度， 熱阻，( m 2 k ) w 熱量，w 管徑，m 對流換熱系數(shù) 傅立葉數(shù) g 函數(shù) 耗電量，w 投資費(fèi)用，元 費(fèi)用年值，元年 土壤的導(dǎo)溫系數(shù)，m 2 s 導(dǎo)熱系數(shù) 熱膨脹系數(shù) 速度 運(yùn)動粘度 印 k n 虬 胎 。 r q d h 2 g n c 島 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文符號表 密度 動力粘度 時間常數(shù)，s 計取系數(shù) 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得丕洼叁鱟或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)讎文儲虢銣華簽字吼刎7 年占月弓日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解苤鲞盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)丞洼盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者虢體融幸 簽字嗍加7 年月琴日 導(dǎo)師簽名：昔，? 、a i 簽字日期：j 彳年名月；e l 無津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第章緒論 1 1 課題研究背景 當(dāng)今能源形勢 第一章緒論 能源與環(huán)境問題是當(dāng)今世界各國面臨的重大社會問題，能源作為現(xiàn)代社會發(fā) 展的物質(zhì)基礎(chǔ)，與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有密切的關(guān)系。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人 口的迅速增長，整個世界對能源的需求越來越太。石油、天然氣、煤炭等常規(guī)不 可再生能源的大量開采，在未來必將枯竭，能源需求量的增長與相對減少的能源 供應(yīng)之間的矛盾必然日益加劇。因此，研究、開發(fā)和利用綠色新能源已經(jīng)成為世 界各國能源建設(shè)的共同戰(zhàn)略目標(biāo)”j 。 建國以來，我國的能源工業(yè)有了很大的發(fā)展，但能源的供應(yīng)仍然不能滿足 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活的需要，能源供應(yīng)緊張同時又存在著產(chǎn)品的能耗高，能 源利用率低，能源浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象。據(jù)國內(nèi)調(diào)查所做出的不完全統(tǒng)計，各行備業(yè) 的可用余熱資源大約為總資源的6 0 口1 。因此，合理地利用能源。提高能源的利 用率和開發(fā)新型綠色能源對于緩解能源緊缺的局面具有重大意義。 石油 圖1 1 我國的能源體系 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 目前我國的能源工業(yè)形成了以煤炭為主，多能互補(bǔ)的能源體系，在一次能源 生產(chǎn)和消費(fèi)總量中的比例大約為：煤炭7 5 ，石油1 7 ，天然氣2 ，一次電力( 水 電，核電，新能源發(fā)電) 6 【l 】。在世界的能源體系中，也是以煤炭為主，其次是 石油和天然氣。由于人類大量的使用煤炭等常規(guī)能源，加之利用率低下，其燃燒 產(chǎn)生大量的二氧化碳、煙塵、硫化物和氮氧化物等有害物質(zhì)，對環(huán)境造成極大的 危害，對人類的生存環(huán)境造成了嚴(yán)重的威脅。全世界每年需要約7x1 0 8 噸燃料， 燃燒排放到大氣中的二氧化碳約為2 1 0 8 噸，目前大氣中二氧化碳年增長率達(dá) 1 5 p p m 。二氧化碳增長一倍，就會使低層大氣年平均溫度升高1 5 至1 , 1 3 o c ，破壞 自然界和正常的生態(tài)平衡【2 3 】。因此，隨著人類社會的發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境的呼 聲越來越高，開發(fā)和利用無污染的新能源，對促進(jìn)社會文明與進(jìn)步，發(fā)展經(jīng)濟(jì)， 改善人民生活水平具有重大的意義，也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。 1 1 2 太陽能分布狀況 隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，可以預(yù)見在不久的將來，現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)( 或體 系) ，將會發(fā)生巨大的變化，新能源的開發(fā)和利用也將是不可逆轉(zhuǎn)的歷史潮流。 毫無疑問，太陽能在其中將會起到重要的作用。太陽能的開發(fā)和利用是人類長期 追求的目標(biāo)。 太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，地球上接受到的太陽能 為3 3 5 - - 8 3 7j ( e r a 2 a ) ，每年地球從太陽獲得大約5 5 x1 0 2 1 ( k j ) 的能量，其三天的輻 射量相當(dāng)于地球煙煤、褐煤和天然氣貯存能量的總和。在亞洲，日照時間大約在 1 6 0 0 3 0 0 0 ( 小時年) 之間，相對于北美、北非，日照時間要少許多。我國幅 員遼闊，緯度適中，日照時間約1 6 0 0 2 4 0 0 ( 小時年) ，太陽能資源是比較豐富的 【4 ，5 】 o 但是太陽能稀薄并且具有間歇性，通常稱之為低品位能源，因此，人類大規(guī) 模開發(fā)利用太陽能還有很多技術(shù)上的問題。我國是生產(chǎn)太陽能集熱器最多的國 家，年產(chǎn)量超過1 0 0 0 萬平方米。太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水主要供生活用水，而將 太陽能用在采暖中，雖然有一些示范，如被動式太陽房等，但由于太陽日照特點(diǎn) 和經(jīng)濟(jì)性，直接且獨(dú)立供暖系統(tǒng)建設(shè)還未形成局面。同時太陽能的收集、貯存和 轉(zhuǎn)換是當(dāng)今人們所面臨的三大主要問題。所有這些問題的解決，不單單是技術(shù)問 題，更重要的是研究一種有效的技術(shù)途徑，以便使太陽能利用的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到可 以與常規(guī)能源的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相比擬，這己經(jīng)成為當(dāng)今太陽能開發(fā)利用能否廣泛推廣 使用的關(guān)鍵。 2 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 1 1 3 太陽能特點(diǎn) 太陽能與常規(guī)能源相比，具有很多優(yōu)點(diǎn) 2 , 6 , 7 1 ，是一般常規(guī)能源無法比擬的， 太陽能的特點(diǎn)有以下幾個方面： ( 1 ) 蘊(yùn)藏的能量巨大 太陽向四周放出巨大的能量，盡管到達(dá)地面的太陽能量只不過是其總能量的 二十二億分之一，但是在一年內(nèi)可達(dá)5 6 1x1 0 2 1 l j 熱量，是全球1 9 7 2 年消耗能量的 2 6 0 0 0 倍。每年到達(dá)地球表面的太陽輻射能約為1 3 0 萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。 ( 2 ) 潔凈安全 太陽能是一種清潔的自然再生能源，取之不盡，用之不竭。開發(fā)和利用太陽 能，既不會出現(xiàn)大氣污染，亦不會影響自然界的生態(tài)平衡，而且陽光所及的地方， 都可以利用；太陽能以其長久性、再生性、無污染等優(yōu)點(diǎn)備受人們的青睞。此外， 太陽能的應(yīng)用，不需要開采和發(fā)掘，也不需要運(yùn)輸。因此，不會對人類造成任何 危險，遠(yuǎn)比其它能源安全，可靠。 ( 3 ) 分布廣泛 太陽普照大地，可以達(dá)到地球的各個角落。 盡管太陽能有其他能源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著很多缺點(diǎn)，主要集中 在以下幾個方面： ( 1 ) 分布不均 盡管到達(dá)地球表面的太陽輻射能總量很大，但是其分布很不均勻。各地的太 陽能輻射總量各不相同，并且每天每時每刻地表面接收太陽能輻射強(qiáng)度也不盡相 同。一般來講，中午太陽輻射最強(qiáng)，早上和傍晚最弱。冬季要比夏季輻射強(qiáng)度小 得多。在高緯度地區(qū)，在利用太陽能時，需要大量的設(shè)備投資。 ( 2 ) 間歇性、不穩(wěn)定性 太陽輻射量有季節(jié)、晝夜的規(guī)律變化的特點(diǎn)，同時還受到陰晴云雨、地理位 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 置和海拔高度等因素的影響，故此太陽輻射熱量具有很大的不穩(wěn)定性。因此，要 充分利用太陽能，必須要解決太陽能的間歇性和不穩(wěn)定性引發(fā)的能源供給不穩(wěn)定 的問題。為了使太陽能成為連續(xù)穩(wěn)定的能源，采用蓄能的方法，即將太陽輻射高 峰時的太陽能蓄存起來，供夜間和陰天時使用。但是如果滿足全年長期使用太陽 能，則需要很大的蓄熱裝置，由于關(guān)聯(lián)問題較多，影響到經(jīng)濟(jì)性。 ( 3 ) 低效性和高成本 盡管太陽能是一種綠色能源，但是其稀薄且具有間歇性，容易受自然條件的 影響，所以通常把太陽能稱之為低品位能源，這為人類大規(guī)模開發(fā)利用帶來很多 技術(shù)上的困難。目前，有些方面理論上可行，技術(shù)上也成熟，因?yàn)樾瘦^低，成 本較高，所以經(jīng)濟(jì)性差。 ( 4 )易反射 太陽到達(dá)地球的熱量總和很大，但是其中3 4 被云和地面反射掉，即便是輻 射到物體表面的太陽能，很大一部分也被反射掉了。 根據(jù)太陽能的上述特點(diǎn)，目前，太陽能的開發(fā)和利用的技術(shù)關(guān)鍵在于：其一， 將低品位的太陽能轉(zhuǎn)換為高品位的能源，這是收集和轉(zhuǎn)換的問題；其二，解決太 陽能的間歇性和不穩(wěn)定性的問題，這屬于貯存問題；其三，有效地利用收集到的 太陽能，屬于轉(zhuǎn)換和利用問題。所有這些問題的解決，最重要的是要研究采用何 種有效技術(shù)途徑，使得太陽能利用的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到可以與常規(guī)能源的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相 比擬。 1 2 蓄熱理論 蓄熱是一種將低品位的太陽能有效的收集的方法，蓄熱的方式很多，主要有 顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)反應(yīng)熱蓄熱3 種，1 1 其中以顯熱蓄熱和潛熱蓄熱較 為普遍。 1 顯熱蓄熱 顯熱蓄熱是利用蓄熱材料的溫度變化蓄存熱量。所以顯熱蓄熱又可稱之為 單相蓄熱。主要的顯熱蓄熱材料有土壤、水、磚石、水泥等。 4 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 2 潛熱蓄熱 潛熱蓄熱是利用蓄熱材料的相變蓄存熱量。潛熱蓄熱也叫做相變蓄熱。蓄熱 材料產(chǎn)生相變的潛熱比單相變化的顯熱大得多，因此，在儲存同樣多熱量時，需 要相變蓄熱材料的質(zhì)量和容積比單相蓄熱材料要小得多。相變蓄熱材料特別適宜 儲存溫度變化范圍小的熱量，而這時如果用單相蓄熱材料，則需要的質(zhì)量和容積 就龐大的多了，但相變蓄熱投資較高，目前還不能大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)踐。一些純鹽、 堿、金屬與合金、混合鹽以及部分有機(jī)物都可以作為相變蓄熱材料。，有關(guān)學(xué)者 用相變蓄熱材料收集太陽能熱量，用來輔助地源熱泵采暖，證明蓄熱后系統(tǒng)平均 制熱系數(shù)增大了0 1 6 【3 6 1 ，取得了良好的效果。 1 3 熱泵類型 熱泵是一種利用高位能使熱量從難以利用的低位熱源流向高位熱源的裝置， 從而達(dá)到節(jié)約部分高位能的目的6 1 。熱泵系統(tǒng)的工作原理是逆向的熱力循環(huán)過 程，它是通過向熱泵系統(tǒng)輸入功，把低品位的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷責(zé)崮?。根?jù)低溫?zé)?源的不同，可以將熱泵分為：水源熱泵、空氣源熱泵、土壤源熱泵、太陽能熱泵 等 2 1 。本文主要討論土壤源熱泵和太陽能熱泵，以及兩者藕合的太陽能一土壤源 熱泵。 1 3 1 太陽能熱泵 近幾年來太陽能的利用發(fā)展很快，目前，用太陽能直接采暖和供應(yīng)生活熱水 的裝置逐漸流行起來。用太陽能直接供暖和太陽能作為低溫?zé)嵩垂┡臒岜孟到y(tǒng) ( 太陽能熱泵) ，更具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。 但是太陽的輻射量隨著緯度、季節(jié)和天氣的不同而不同，需要把太陽能和其 他形式能源結(jié)合起來或者增設(shè)補(bǔ)充加熱設(shè)備，以達(dá)到冬季采暖的要求【2 】。然而給 系統(tǒng)增設(shè)輔助熱源，要另外消耗一份能量，降低了熱泵的熱效率，改變了節(jié)能的 初衷。本文將太陽能和地?zé)崮芙Y(jié)合起來，有效的利用了太陽能和地?zé)崮?，達(dá)到了 節(jié)能的目的。 1 3 2 土壤源熱泵 土壤源熱泵是利用媒介質(zhì)獲取土壤內(nèi)熱( 冷) 能量的新型裝置，以土壤作為低 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 溫?zé)嵩?，其溫度變化不大，換熱器不需要除霜，并且有一定的蓄能作用。由于其 具有可持續(xù)發(fā)展性，國內(nèi)外近年來正在加強(qiáng)對它的系統(tǒng)研究。與空氣源熱泵相比， 土壤源熱泵具有以下優(yōu)點(diǎn)【s 】： ( 1 ) 全年地溫波動小，冬季土壤溫度穩(wěn)定且比大氣溫度高，可為熱泵提供 較穩(wěn)定的熱源，熱泵的制熱性能系數(shù)穩(wěn)定； ( 2 ) 埋地盤管不需要除霜，減少了冬季除霜的能耗； ( 3 ) 埋地?fù)Q熱器在地下靜態(tài)的吸放熱，可減小對地面的熱污染； ( 4 ) 夏季可以將土壤源熱泵轉(zhuǎn)換為空調(diào)運(yùn)行工況，達(dá)到節(jié)能目的，同時為 冬季供暖蓄熱，在其它季節(jié)可以提供生活用熱水； ( 5 ) 由于土壤具有較好的蓄熱性能，可與太陽能熱水系統(tǒng)聯(lián)接用以改善冬 季運(yùn)行條件； ( 6 ) 土壤源熱泵大多數(shù)采用的是u 型豎直埋管換熱器，地下巖土溫度穩(wěn)定， 傳熱模型比較簡單，并且鉆孔占地面積少 9 1 。 1 3 3 太陽能一土壤源熱泵 太陽能一土壤源熱泵耦合系統(tǒng)( s o l a r - - - g r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m ) 是 將太陽能集熱系統(tǒng)耦合到地源熱泵系統(tǒng)中的一套裝置，又叫雙熱源熱泵系統(tǒng)，目 前這種裝置處于研究階段，真正應(yīng)用到實(shí)際工程中還有很多技術(shù)問題需要解決。 太陽能一土壤源熱泵系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)太陽能熱泵，土壤源熱泵，太陽能一土壤源熱 泵，太陽能土壤蓄能等多種循環(huán)模式。 1 4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在氣候寒冷的北歐、北美地區(qū)，太陽能一土壤源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用比較多。因?yàn)?這些地區(qū)冬季寒冷而漫長，夏季涼爽而短暫，基本上不需要供冷，而供暖期特別 長，長期從土壤中取熱導(dǎo)致大地溫度逐年降低，破壞了大地的熱平衡，這就需要 向大地中補(bǔ)充熱量。在非采暖季采用太陽能集熱器收集熱量，儲存到大地中，克 服了太陽能系統(tǒng)反季節(jié)性的缺陷，合理的把太陽能系統(tǒng)耦合到土壤源熱泵系統(tǒng) 中，達(dá)到了良好的效果。 1 4 1 國外研究現(xiàn)狀 國外對土壤源熱泵的研究較早，北美洲和歐洲現(xiàn)已建成不少采用土壤源熱泵 6 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 供暖和制冷的工程實(shí)例?！暗卦礋岜谩钡母拍钭钤绯霈F(xiàn)在1 9 1 2 年瑞士的一份專利文 獻(xiàn)中，瑞士的h e i r t r i c hz o e l l y 第次提出采用土壤作為熱泵低位熱源的想法。直 到二十世紀(jì)五十年代，歐洲和美國開始了研究利用地源熱泵( g s h p ) 的第一次高 潮，其中最為活躍的是英國和德國。但當(dāng)時能源價格低，這種系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì)，因 而沒有得到推廣。7 0 年代的石油危機(jī)把人們的注意力集中到節(jié)能、高效用能上， 地源熱泵的研究進(jìn)入又次高潮。此時地下埋管已由早期的金屬埋管改為塑料 管。這個時期，歐洲建立了不少水平埋管地下?lián)Q熱器的地?zé)嵩礋岜?，但其主要?于冬季供暖。8 0 年代初開始，美國和加拿大開展了冷暖聯(lián)供地源熱泵方面的研究 工作，不少文獻(xiàn)報導(dǎo)了地源熱泵應(yīng)用于不同工程實(shí)際的運(yùn)行總結(jié)和性能比較 o o q 3 。土壤源熱泵以其良好的節(jié)能和環(huán)保特性，近年來在歐美等國受到了極大的 重視，目前己經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)實(shí)用性階段。8 0 年代中期至t j 9 0 年代中期，美國、加拿 大建成了冷暖聯(lián)供的數(shù)十個地源熱泵的工程實(shí)例1 1 4 , 1 5 。截止到1 9 9 8 年年底，在美 國投入實(shí)際運(yùn)行的大型土壤源熱泵裝置系統(tǒng)就有1 0 0 0 多臺( 套) 。1 9 9 8 年美國供 暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會( a s h r a e ) 的優(yōu)秀設(shè)計項目獎中就有一項授予土壤源熱 泵工型17 1 。 在理論方面，上世紀(jì)7 0 年代末至l j 9 0 年代初，不少文獻(xiàn)報導(dǎo)了地源熱泵不同形 式的地下埋管換熱器的傳熱過程及其模型計算方法。1 9 8 3 年，b n l 修改線源理論 將埋管周圍的巖土劃分為兩個區(qū)，即嚴(yán)格區(qū)和自由區(qū)，在埋管運(yùn)行時，不同區(qū)之 間的熱傳導(dǎo)引起該區(qū)的溫度變化【8 】。1 9 8 6 年，v c m e i 和s i c f i s h e r 提出的三維瞬 態(tài)遠(yuǎn)邊界傳熱模型，該理論是建立在能量平衡的基礎(chǔ)上建立了垂直套管式換熱器 的傳熱模型，在計算中主要考慮了土壤和換熱器特性參數(shù)對土壤源熱泵性能的影 響【l6 】。r y u m r u t a s 用傅立葉和貝塞爾變換方法模擬了以埋地半球形蓄熱桶為熱源 的熱泵系統(tǒng)【1 7 】。d e n n i sl o n e a l 應(yīng)用瞬態(tài)有限元模型對垂直u 形管相鄰兩管間的 熱短路現(xiàn)象進(jìn)行了模擬【l8 1 。9 0 年代以來，土壤源熱泵的研究熱點(diǎn)依然集中在埋地 換熱器的換熱機(jī)理、強(qiáng)化換熱及熱泵系統(tǒng)與埋地?fù)Q熱器匹配等方面【2 2 刀】。進(jìn)入9 0 年代，除報導(dǎo)有關(guān)埋管換熱器的強(qiáng)化傳熱外，還有關(guān)于地?zé)嵩礋岜玫倪\(yùn)行總結(jié)和 已建成的工程性能比較等【l9 j 。 近幾年，太陽能熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)研究廣泛，在對系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理 論模型研究以及經(jīng)濟(jì)性分析方面作了很多的工作，但對于太陽能一土壤源熱泵聯(lián) 合運(yùn)行方面研究很少，形式主要集中在用蓄水箱來儲存太陽能的太陽能熱泵系 統(tǒng)，太陽能季節(jié)性的儲存到土壤或是埋地蓄熱罐中，以供冬季采暖之用。并且對 太陽能集熱器集熱效率、熱泵性能、土壤溫度場的分布、太陽能利用系數(shù)、經(jīng)濟(jì) 性等各個方面作了研究 2 0 - 2 2 】，然而這些研究基本上是針對某一地區(qū)某一特例，不 具通用性。 7 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 4 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 以前國內(nèi)對熱泵技術(shù)的研究主要集中在空氣源熱泵和水源熱泵系統(tǒng)，對土壤 源熱泵的研究起步較晚。自9 0 年代初期以來，在國家自然科學(xué)基金委員會的資助 下，國內(nèi)開始了對土壤源熱泵的探索性研究。 近幾年，天津商業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、青島建工學(xué)院、清華大學(xué)、湖南大學(xué)、 華中理工大學(xué)等進(jìn)行了研究。其中天津商業(yè)大學(xué)和青島建工學(xué)院對地下水平埋管 換熱器的地源熱泵系統(tǒng)先后在天津、青島進(jìn)行了取熱實(shí)驗(yàn)研究；重慶大學(xué)用垂直 型換熱器( 埋深至1 0 米) 進(jìn)行了取熱實(shí)驗(yàn)研究，取得了階段性的成果。湖南大學(xué) j 和華中理工大學(xué)在土壤源熱泵方面也作了研究。 國內(nèi)對s g s h p s 做了一些研究，方肇洪教授等人對我國北方地區(qū)s g s h p s 進(jìn) 行了經(jīng)濟(jì)性分析，通過分析，冬季單位鉆孔長的取熱率為2 5 - - 4 5 w m ，夏季單位 鉆孔長的放熱率為8 0 - - 1 0 0 w m t 2 3 1 ，循環(huán)模式為在白天，只用地源熱泵系統(tǒng)供暖， 同時用太陽能集熱系統(tǒng)在水箱中蓄熱，夜間利用太陽能集熱器蓄存的熱量，使地 熱換熱器和太陽能集熱器串聯(lián)運(yùn)行，二者聯(lián)合供暖。并指出，地?zé)釗Q熱器采用采 暖熱負(fù)荷的6 0 設(shè)計，可比單獨(dú)用地源熱泵系統(tǒng)供暖更經(jīng)濟(jì)。東南大學(xué)楊衛(wèi)波等 人對青島地區(qū)s g s h p s 聯(lián)合供暖模式進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較了不同循環(huán)模式以及 有無蓄熱水箱時系統(tǒng)的工作性制2 4 1 ，結(jié)論表明，s g s h p s 聯(lián)合供暖時，系統(tǒng)平均 c o p 達(dá)3 4 6 ，節(jié)能率為1 4 5 ，比無蓄熱水箱時高出4 ；哈爾濱工業(yè)大學(xué)韓宗偉 等人對s g s h p s 相變蓄熱( 相變蓄熱水箱，采用相變材料p c m 進(jìn)行潛熱蓄熱) 供暖 系統(tǒng)進(jìn)行了探討【2 5 1 。 1 5 課題的提出 盡管土壤源熱泵和太陽能熱泵具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但兩種資源都存在一定的缺 陷，影響了它們的大規(guī)模開發(fā)利用。對于冬季熱負(fù)荷大的地區(qū)，單獨(dú)利用土壤源 熱泵系統(tǒng)，會造成冬夏季取熱過剩而造成地下土壤溫度逐年降低，影響熱泵的效 率；太陽能存在間歇性、不穩(wěn)定性、能流密度低等缺陷，單獨(dú)應(yīng)用太陽能作為低 位熱源的太陽能熱泵供熱系統(tǒng)需要配置很大的集熱器面積和水箱容量，使太陽能 熱泵的造價偏高。 鑒于此，將兩種系統(tǒng)結(jié)合起來，即太陽能一土壤源熱泵耦合系統(tǒng)( s g s g p s ) 。 太陽能一土壤源熱泵耦合系統(tǒng)( s g s g p s ) 克服了單獨(dú)利用土壤源熱泵系統(tǒng)和太 陽能熱泵系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提高熱泵系統(tǒng)的性能，但其經(jīng)濟(jì)性和可行性還有待探討。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 本文將通過實(shí)驗(yàn)研究來評價太陽能一土壤源熱泵耦合系統(tǒng)不同運(yùn)行模式效率及 經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)載熱流體( 水) 先經(jīng)土壤換熱器換熱，后進(jìn)太陽能集熱器，溫度升 高后進(jìn)入水源熱泵系統(tǒng)。 1 6 本文研究的主要工作 l 、建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，其中包括真空管太陽能集熱器數(shù)學(xué)模型，土壤換熱器地 下熱阻的數(shù)學(xué)模型，水源熱泵機(jī)組數(shù)學(xué)模型。 2 、搭建太陽能一土壤源熱泵耦合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺。 3 、評價利用太陽能在非采暖季進(jìn)行土壤蓄熱的可行性及土壤測溫實(shí)驗(yàn)裝置，對 冬季供暖，包括太陽能熱泵供暖、太陽能一土壤聯(lián)合供暖、土壤源熱泵獨(dú)立供暖 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、處理、分析。 4 、對太陽能一土壤源熱泵耦合系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。 9 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章系統(tǒng)理論模型 第二章系統(tǒng)理論模型 2 i 真空管太陽能集熱器簡介 太陽能集熱器是將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能的裝置。太陽能集熱器種類很多， 按集熱器內(nèi)是否有真空空間可以分為平板型太陽能集熱器( 非聚光集熱器) 和真 空管太陽能集熱器。由于大氣層的折射和地面的反射，地面上太陽輻射的能量通 量最大為l i o o w m 2 1 2 6 j ，并且是變化的。這就要求太陽能集熱器的面積和采光面 積盡可能一致。目前，太陽能集熱器系統(tǒng)主要采用的是真空管集熱器。但是真空 管太陽能集熱器有效吸熱面積小、散熱面積大、熱效率低，因此，真空管太陽能 集熱器的應(yīng)用有一定的局限性。真空管太陽能集熱器分為全玻璃真空管型集熱器 和金屬一玻璃真空管型集熱器。全玻璃真空管太陽能集熱器由多根全玻璃真空太 陽集熱管插入聯(lián)箱而組成，但是材質(zhì)為玻璃，放置在室外易損壞，運(yùn)行過程中， 若有一根管損壞，整個系統(tǒng)就要停止工作。金屬一玻璃真空管型集熱器，采用熱 管直接插入真空管內(nèi)和應(yīng)用u 形金屬管吸熱板插入真空管內(nèi)的兩類集熱器。圖2 1 所示為全玻璃真空管太陽能集熱器結(jié)構(gòu)圖，主要有外玻璃管、內(nèi)玻璃管、真空、 有支架的消氣劑以及選擇性吸收表面等組成。真空部分起到抑制吸熱板通過傳導(dǎo) 和對流向周圍環(huán)境散熱的作用。 3 、 全玻牽l 真空太陽能集熱器 卜外玻璃管2 一內(nèi)玻璃管一3 - 真空i4 有支架的 肖氣劑 5 一選擇性吸收表面 圖2 i 真空管太陽能集熱器 1 0 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章系統(tǒng)理論模型 2 2 太陽能集熱系統(tǒng)模型 太陽能集熱器內(nèi)工質(zhì)為水，如不加防凍液，太陽能集熱器集熱量如式( 2 - 1 ) 所示： q ，- - c p g ，t g 。一0 ) ( 2 - 1 ) 式中：9 一太陽能集熱器集熱量，w ； 勺一水的比熱容，在本文計算過程中，定義c ，= 4 1 8 6 1 0 3 j ( k g 。c ) ； q m 一水的質(zhì)量流量，k g s ； 0 一太陽能集熱器進(jìn)口水溫，。c ； 0 一太陽能集熱器出口水溫，。c 。 對于一定結(jié)構(gòu)和尺寸的太陽能集熱器而言，太陽能集熱器集熱效率如公式 ( 2 2 ) 所示。c ，d 為常數(shù)，在本文計算過程中，循環(huán)水溫度在o 2 0 。c 范圍 內(nèi)，真空管太陽能集熱器c = o 6 1 3 ，d = - 2 2 4 2 7 1 。 研：c 一劌( 2 - 2 ) i l j 式中：，_ i 時刻外界環(huán)境溫度，。c t i 時刻太陽能輻射強(qiáng)度，w m 2 。 2 3 土壤源熱泵模型 2 3 1 土壤溫度的計算 在從土壤中吸熱和放熱過程中，隨著時間的變化，土壤溫度場也發(fā)生改變， 土壤溫度變化與土壤換熱器取( 放) 熱率以及土壤的熱物性有關(guān)，在本文計算中 假設(shè)土壤取( 放) 熱率為常數(shù)，土壤溫度分布可以寫為： t 悱”麗q l 忙) ( 2 3 ) 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章系統(tǒng)理論模型 ，伍) = f 纛，稱為指數(shù)積分函數(shù)；x 為積分變量，x = 岳；t p ，f ) 為 半徑為r ，f 時刻的土壤溫度；幻為大地初始溫度：q ，為線熱源提供的恒定熱流， w m la ，口分別為土壤的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)( 導(dǎo)溫系數(shù)) ，w ( m k ) ，聊2 s 。 式蝴積分，舊卜似觥】_ ， ，( 去 乩f ，t 4 a rk ) 7 勉一o 2 5 r 瞄) - ( 岳 2 ，c 。艇, 磊r 鯽 1 4 - - 磊r 咄斟7 7 2 2 2 3 2 土壤換熱器熱阻模型 ( 石砂3 ) ( 2 4 ) 地埋管換熱器管內(nèi)流體與土壤之間的換熱過程可劃分為孔內(nèi)穩(wěn)態(tài)傳熱和孔 外瞬態(tài)傳熱兩部分?？變?nèi)的熱阻主要為管內(nèi)流體對流換熱熱阻r 刪、管壁熱阻 r 。n d 、回填材料導(dǎo)熱熱阻匙m 拼孔j l - 的熱阻為土壤導(dǎo)熱熱阻匙。本文優(yōu)化模擬 的系統(tǒng)應(yīng)用垂直單u 型地埋管，所以垂直單u 型管的熱阻分析如下。 1 孔網(wǎng)熱阻 鉆孔內(nèi)各項熱阻的計算公式如下【2 9 】： k o s 去 r 俐一o 5 警 k 瓦1h nux,h= d f n u = 0 0 2 3 r e o 8p r “ ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章系統(tǒng)理論模型 式中：尺。刪，r 。鯽d ，r g , o 。廣管內(nèi)流體對流換熱熱阻、管壁導(dǎo)熱熱阻及回填材 料導(dǎo)熱熱阻，( m 。c ) w ； 西，磊一洌管內(nèi)、外徑，m ； d 卜鉆孔直徑，m ；以一當(dāng)量直徑，m ； 丑廠管材導(dǎo)熱系數(shù)，形( m o c ) ； 奄一回填材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w ( m 。c ) ； i l 廣流體與管內(nèi)壁面間的對流換熱系數(shù)，wi ( m 。c ) ； m 廣努塞爾特數(shù)； 尺r 雷諾數(shù)； p r 普朗特數(shù)； 礦流體導(dǎo)熱系數(shù)，w ( m 。c ) ；式( 2 9 ) 中，夏季工況n = o 3 ，冬季 工況n = o 4 。 2 鉆孑l 外熱阻 對于鉆孔外的熱阻為土壤導(dǎo)熱熱瞰。的計算，有兩種計算方法，分別為線熱 源模型和柱熱源模型。根據(jù)線源理論，可得土壤導(dǎo)熱熱酣2 9 】： 足2 擊，c 赤，2 擊，c 赤， 式中：刪孔半徑，m 丑廠土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，w ( m o c ) ； 口一土壤的導(dǎo)溫系數(shù)，m 2 s ： f d 一傅立葉數(shù)。 i ( x ) 的近似值可由下式計算： 當(dāng)0 工1 時， ( 2 - 1 0 ) i ( x ) - - o 5 ( 一l i 2 0 5 7 7 2 1 5 6 6 - 1 - - 0 9 9 9 9 9 1 9 3x 2 - - o 2 4 9 9 1 0 5 5x 4 + 0 0 5 5 1 9 9 6 8 x 6 - o 0 0 9 7 6 0 0 4 x s + 0 0 0 1 0 7 8 5 7 x l o )( 2 1 1 ) 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章系統(tǒng)理論模型 當(dāng)x 1 時， ，b ) = 1彳 爿= x 8 + 8 5 7 3 3 2 8 7 x 6 + 1 8 0 5 9 0 1 7 x 4 + 8 6 3 7 6 0 9 x 2 + o 2 6 7 7 7 3 7 b = x 8 + 9 5 7 3 3 2 2 3 x 6 + 2 5 6 3 2 9 5 6 1x 4 + 2 1 0 9 9 6 5 3 1z 2 + 3 9 6 8 4 9 6 9 ( 2 1 2 ) c a r s l a w 和j a e g e r ( 19 4 7 ) 首次提出了柱熱源理論，19 5 4 年i n g e r s o l l 等人對其作了 進(jìn)一步的闡述，恒定熱流作用下的柱熱源分析解為【3 0 】： 不2 。一乙2 善g 億p ) 式中：z = 等，p2 丟；rl h ( 2 1 3 ) 卜半徑為r 處的溫度，o c ； g 仁圳一分析解，g 億是由分析法求解柱熱源溫度場而得到的一個積 分函數(shù)，形式很復(fù)雜，直接求解十分困難；k l e i n 等, k t l 2 ，辮2 口x 了幾種p 值下的g 函 數(shù)公式，見表2 一l 。 表2 1g 函數(shù)的部分?jǐn)?shù)值解 pg z p ) lg = 1 0 t - o 8 9 1 2 9 + o 3 6 0 8 1 l g ( z ) - o 0 5 5 0 8 x 1 9 2 ( ：) + 3 5 9 6 1 7 x 1 0 3 1 9 3 ( ：) 】 2g = 1 0 t - 1 4 5 4 1 + o 8 9 9 3 3 1 9 ( z ) 0 3 1 1 9 3 1 9 2 ( ：) + o 0 6 1 1 1 9 x 1 9 3 ( ：) 】 5g = 10 t - 3 0 0 7 7 + 2 2 5 6 0 6 x l g ( 辦o 7 9 2 8 1 9 2 ( z ) + o 1 3 4 2 9 3 1 9 3 ( ：) 】 1 0g = l0 t 。9 1 4 1 8 + 1 1 7 0 2 5 l g ( z ) 7 0 9 5 7 4 i 9 2 ( z ) + 2 2 6 9 8 3 7 1 9 3 ( ：) 】 1 4 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章系統(tǒng)理論模型 扣砒恥孚= 石1g 眵r g c 剮， 協(xié) 則土壤換熱器總熱阻比為： r z 2 r c 口+ r c o l d + r 雷n 叫t + j s ( 2 1 5 ) 在本文的計算過程中，計算鉆孔外熱阻模型采用線熱源模型。由于換熱器熱 阻與土壤換熱器吸放熱量直接相關(guān)，土壤換熱器的取熱量可以寫為： q g = c r q 。( f 。塒一t 脅) ( 2 1 6 ) 式中，t o u t 分別為土壤換熱器進(jìn)出口溫度，。c 。也可以表示為與熱阻有 關(guān)的計算公式： 、一t g t 口j ”之產(chǎn) 式中，毋一土壤換熱器單位管長換熱量，w m ； 名一土壤溫度，。c ； 鋤一土壤換熱器中循環(huán)水的平均溫度，。c 。 2 4 水源熱泵機(jī)組模型 ( 2 1 7 ) 對于不同類型水源熱泵機(jī)組，蒸發(fā)器進(jìn)口水溫是影響熱泵機(jī)組的性能的關(guān)鍵 因素之一，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的理論研究，水源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器吸熱量吼( w ) 和機(jī) 組的耗功n ( w ) 與蒸發(fā)器入口水溫乙( 。c ) 呈線性關(guān)系口7 】： q e = a + b t e n = 口l + 饑t 。 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章系統(tǒng)理論模型 q 。= c p q 。( f 。一0 ) ( 2 2 0 ) 式中：a ，b ，a ，6 廣一常數(shù)。經(jīng)過對本實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行供暖實(shí)驗(yàn)測定，對于不同 的熱泵機(jī)組和不同的溫度范圍，數(shù)值不同。 g m 循環(huán)水流量，k g s ； 礦_ 蒸發(fā)器出1 ：3 溫度，。c 。 2 5 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了真空管太陽能集熱器集熱效率和集熱量的計算方法、單u 型土壤源換熱器當(dāng)量直徑的處理方法、土壤初始溫度的計算方法、土壤換熱器鉆 孔內(nèi)熱阻的計算方法、用線熱源和柱熱源理論模型求解鉆孔外土壤熱阻的方法、 水源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器吸熱量和壓縮機(jī)耗功與蒸發(fā)器進(jìn)口水溫的關(guān)系等，由此建立 了太陽能集熱器、土壤換熱器和水源熱泵機(jī)組理論數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)行太陽能土 壤源熱泵耦合系統(tǒng)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。 1 6 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章實(shí)驗(yàn)臺搭建和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計 3 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?第三章實(shí)驗(yàn)臺搭建和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計 為了探討在天津地區(qū)進(jìn)行土壤蓄熱的可行性、土壤蓄熱的能力以及太陽能一 土壤源熱泵耦合系統(tǒng)的最佳循環(huán)模式技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)性，搭建了太陽能一土壤 源熱泵耦合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺與土壤溫度響應(yīng)測試系統(tǒng)。 3 2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成 3 2 1 實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 實(shí)驗(yàn)臺主體部分包括：( 1 ) 鉆孔四眼，深度均為1 0 0m ，其中兩眼孔內(nèi)換熱 器類型為雙u 型，另外兩眼土壤換熱器類型為單u 型，土壤換熱器材料采用p e ( 聚乙烯) ，埋管內(nèi)徑為2 5 r a m ，外徑3 2 m m 。( 2 ) 熱泵機(jī)組一臺，額定制冷量為 9 2 7 2k w ，輸入功率為3 3 7k w ，性能系數(shù)2 7 5 ，活塞排量為1 0 5 2m 3 h ：( 3 ) 全玻璃真空管太陽能集熱器1 2m 2 ；( 4 ) 蓄熱水箱兩臺，容積均為i t ；( 5 ) 容量 為1 0 t 的冷卻塔及板式換熱器各一臺；( 6 ) 末端7 0 w 風(fēng)機(jī)盤管若干組；( 7 ) 變 頻泵3 臺，其中一臺作為冷卻塔循環(huán)水泵，一臺作為用戶側(cè)循環(huán)水泵，一臺作為 土壤換熱器和太陽能系統(tǒng)循環(huán)水泵：( 8 ) 球閥若干個，用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)循環(huán)模式。 管道連接采用p p r ( 無規(guī)共聚聚丙烯管) 管熔接，循環(huán)介質(zhì)為自來水。供熱房間 面積2 2 7 m 2 ，供暖負(fù)荷1 1 3 5 k w 。 霆璺丕芏堡圭堂笪絲塞墨三至堡墅宣量堡塑壅墼直塞絲計 3 】系統(tǒng)原理圈 太陽能一土壤源熱泵系統(tǒng)工藝流程如圖31 所示。該系統(tǒng)可根據(jù)日照條件月 熱負(fù)荷變化情況采用多種不同的運(yùn)行模式，系統(tǒng)管路聯(lián)接處設(shè)置多處閥門，改! 閥