复合埋管式土壤源热泵系统性能研究

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1、复合埋管式土壤源热泵系统性能研究重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：马婷婷指导教师：王勇教授专业：建筑与土木工程领域学科门类：工学重庆大学城市建设与环境工程学院二O一五年十月TheStudyonthePerformanceofHybridHeatExchangerGSHPSystemAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByMaTingtingSupervisedbyPr

2、of.WangYongSpecialty:ArchitectureandCivilEngineeringFacultyofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOct.2015中文摘要摘要土壤源热泵作为一种高效节能的可再生能源利用技术，近年来备受关注。目前对土壤源热泵系统性能的研究主要集中在单独采用水平或垂直埋管换热器时土壤源热泵系统的性能研究，而利用水平埋管与垂直埋管联合换热的土壤源热泵系统研究成果还较少。本文将这种采用水平

3、埋管与垂直埋管联合换热的土壤源热泵系统称为复合埋管式土壤源热泵系统，并对其进行研究。本文基于天津市某办公建筑，从热泵机组出力负荷入手，根据建筑实际条件及经济性初步确定两种埋管换热器承担负荷配比，进而制定针对该办公建筑负荷特性的复合埋管式土壤源热泵系统运行控制策略。分别建立水平埋管换热器和垂直埋管换热器三维传热模型，通过分别计算分析水平埋管和垂直埋管换热器的换热性能，完成复合埋管式土壤源热泵系统的设计方案。通过分析复合埋管式土壤源热泵地埋侧系统能效及经济性，肯定复合埋管式土壤源热泵系统的优势所在，并对复合埋管式换热器水力工况进行优化。最后通过实验验证

4、地埋管换热器三维传热数值计算模型的正确性。首先基于天津市某办公建筑建立负荷计算模型，计算全年逐时建筑负荷，并选择合适的热泵机组，得到制冷和制热工况下机组的逐时出力负荷，根据建筑实际条件初步确定两种换热器承担负荷配比，进而制定符合该建筑负荷特性的复合埋管式土壤源热泵系统运行控制策略。分别建立水平埋管和垂直埋管三维传热温度场数学模型，通过数值计算分析水平埋管和垂直埋管换热器的换热性能，进而确定能够满足该建筑的制冷和制热需求的水平埋管换热器换热单元数及垂直埋管换热器钻井数，完成复合埋管换热器设计。负荷特性对复合埋管式换热器换热性能影响较大，在医院负荷特性

5、及复合埋管换热器设计负荷配比等条件下，数值计算结果证明采用复合埋管式土壤源热泵系统并不合适。通过建立复合埋管式土壤源热泵系统能耗各组成部分模型，计算该办公建筑在制冷期和制热期的系统能耗，并得到夏季热泵机组COP与冷凝器进水温度的关系及冬季热泵机组COP与蒸发器进水温度的函数关系，进而得到在制冷和制热工况下热泵机组及复合埋管式土壤源热泵系统的逐时COP。采用费用年值作为指标，对不同承担负荷配比下复合埋管式土壤源热泵系统经济性进行分析。当垂直埋管换热器承担负荷配比逐渐增大时，系统费用年值基本呈现逐渐上升的趋势，但均低于独立垂直埋管换热器土壤源热泵系统费

6、用年值。提出换热经济值的定义，以初步判断在满足换热要求条件下采用水平埋管换热器代替垂直埋管换热器承担负荷是否经济。结合复合埋管换热器的换热性能和经济I重庆大学硕士学位论文性，总结得到复合埋管式土壤源热泵最佳承担负荷配比的方案选择方法。为减少数值换热计算时间，本文均采用水平埋管和垂直埋管换热器独立换热计算的方式评估换热器换热性能，且通过比较联合换热计算与独立换热计算结果可知，在该建筑负荷特性及水平和垂直埋管承担负荷配比条件下，独立换热计算结果与联合换热计算结果差异性较小，可视为独立换热计算对换热结果的影响并不大。提出了两种复合埋管式土壤源热泵系统地埋

7、侧水泵的设置方法，通过水力计算，并利用环状管网水力计算与水力工况分析软件得到这两种方案在实际选取水泵参数条件下各埋管换热器环路流量，得到更有利于该办公建筑复合埋管式土壤源热泵系统水力工况的地埋侧水泵设置方案，为复合埋管式土壤源热泵系统中埋管换热器水力工况的优化提供了新思路。通过对独立埋管换热器进行实测，分别验证水平埋管和垂直埋管独立换热计算模型的正确性。再对复合埋管式土壤源热泵系统进行实测，并对比水平埋管换热器和垂直埋管换热器独立换热计算结果与联合换热计算结果，发现在实验室测试条件下，独立换热计算结果与实测结果有较大差别，而联合换热计算结果更准确，

8、因此采用独立换热计算代替联合换热计算的方法必须在负荷特性与承担负荷配比匹配条件下使用。关键词：复合埋管式土壤源热泵系统，换