石家庄市某土壤源热泵项目分析和系统特性影响因素探讨

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论文字数:33566 论文编号:sb2021071714542536391 日期:2021-08-09 来源:硕博论文网
本文有针对性的选取了钻井深度、钻井间距、土壤导热系数以及机组负荷侧出水温度四个影响因素进行石家庄地区土壤源热泵的区域适应性研究,从土壤热平衡性、地源侧供回水温差和机组 COP 三个方面进行分析,并给出实际工程应用建议。具体结论如下:1)土壤源热泵系统的性能具体体现在地埋管换热器的换热性能、水源热泵机组的运行性能、土壤体的热平衡性能三个方面。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
目前,中国城市化进程不断加快,其具体表现为城市数量的激增和城镇人口比重的上升,截至 2017 年中国城市数量达 334 个,城镇人口总数达 7.9 亿[1]。与此同时城市化进程也极大促进了建筑工业的迅猛发展,从 2001 年起,我国每年新建建筑竣工面积总量呈现逐年上升的趋势,2016 年我国已有建筑面积总量达 581 亿 m2[2]。
图 1-1 2001-2016 全国人口数量变化 图 1-2 2001-2016 全国新建建筑竣工面积变化
图 1-1 2001-2016 全国人口数量变化 图 1-2 2001-2016 全国新建建筑竣工面积变化
城市化进程和建筑工业的快速发展给能源消耗、大气环境以及社会发展带来了一系列问题,建筑相关领域中的建造高能耗和运行高能耗是目前全社会亟待解决的问题。在此背景下,各种类型的建筑节能技术应运而生。建筑节能技术一方面指的是解决建筑本体维护结构所造成的负荷问题,另一方面指的是解决建筑设备系统在运行中的能耗问题。地源热泵技术是一种应用可再生能源的新型供暖空调方式,该技术可以把空气、土壤、水以及生活生产废热中不能直接利用的低位热能转化为可以直接利用的高位热能[3]。热泵技术的应用充分体现出节能和环保的特点,节能指的是同传统暖通空调方式相比,热泵系统利用少量的高位能(电能)来驱动机组运转,可输送3 至 5 倍热能,能源利用效率得到大幅提升。环保则指的是其利用的冷热源是可再生能源或清洁能源,对环境的污染较小。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内外地源热泵技术发展进程
(1) 国外发展进程 20 世纪 40~50 年代,英、美等国家开始出现采用地下盘管作热源的家庭用热泵[4],出现了以地下水和地表水为热源的热泵系统。与此同时,欧洲和美国进行了一些基础性的地源热泵实验和传热理论的研究工作,但由于热泵系统造价过高,使用年限较短,且当时能源价格较低,所以并没有推广应用。到了 20世纪 70~80 年代,由于“能源危机”的出现,美国、欧洲、日本等地区开始关注和重视地源热泵系统的应用和研究[1]。在政府的推动下,一些国家对新建的热泵项目进行补助和免息措施,热泵技术的发展达到了一个高峰。但在那之后,石油价格回落,政府补贴取消,所以,热泵技术的发展也出现了限制。在美国,地源热泵系统的应用比例减小。欧洲市场上也存在大量设计、安装失败的地源热泵项目。日本当时发展了地下水热泵系统,但由于回灌技术和地表下陷等问题。
进入 21 世纪,随着油价和电价的上升,全球各国政府开始重视温室气体的排放问题和可再生能源的高效利用问题,各国也积极制定相关的法律法规来确定和约束相关行业的发展。美国能源部与多所研究机构推出了“国家能源综合规划项目”,日本受到《京都议协定》和全球能源局势的影响,建立了相关的科研院所和协会组织[5],热泵技术的发展又迎来了一个高峰。各国对地源热泵的应用也进行了大量的计算模拟研究和示范工程建设,逐渐形成了一套基础理论和设计方法。
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第 2 章 土壤源热泵的系统特性

2.1 地埋管换热器的换热特性
2.1.1 换热器的分类及特点
地埋管换热器根据其埋管方式的不同可以分为水平埋管和竖直埋管两种类型[21]。一般根据实际工程可使用的土壤面积、建筑负荷类型以及投资成本等因素来确定换热器的形式,由于水平埋管具有一定的局限性,垂直 U 形管是目前工程中最常用的一种埋管形式。详细的地埋管换热器分类见表 2-2[22]。
表 2-2 地埋管换热器分类及特点
表 2-2 地埋管换热器分类及特点
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2.2 水源热泵机组的运行特性
2.2.1 水源热泵机组的组成和分类
水源热泵机组按照末端制取冷热介质的不同可以分为水—水式和水—空气式两种类型[27],一般根据建筑负荷的大小和室内末端设备的不同来选择水源热泵机组的形式。详细的水源热泵机组分类见表 2-4。
水源热泵机组由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置等部件构成。压缩机是系统中高位能输入装置,通过压缩机做功,使得制冷剂达到不饱和的汽化状态。蒸发器和冷凝器是系统中的换热装置,蒸发吸热,冷凝放热。制冷剂在两侧的换热器中实现由不饱和状态向饱和状态的转变。节流装置是系统中对循环制冷剂起到节流降压的作用的设备。
表 2-4 水源热泵机组的分类及特点
表 2-4 水源热泵机组的分类及特点
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第 3 章 某实际项目测试分析······················15
3.1 工程概况······························15
3.1.1 土壤热物性测试 ·························15
3.1.2 建筑概况···················16
第 4 章 系统运行模拟分析································27
4.1 负荷计算··························27
4.1.1 DeST 介绍·····················27
4.1.2 模型建立·························27
第 5 章 系统特性影响因素研究······················37
5.1 系统特性影响因素····························37
5.2 系统特性影响因素分析····················38

第 5 章 系统特性影响因素研究

5.1 系统特性影响因素
根据第 2 章研究内容可知,土壤源热泵的系统特性具体体现在地埋管换热器的换热特性、水源热泵机组的运行特性以及土壤体的热平衡性三个方面。而这三方面的特性又会受到系统设计参数、运行参数以及土壤地质状况的影响。因此本章根据相关的标准、规范以及国内外研究文献针对影响土壤源热泵系统特性的各类因素进行了归纳总结,从钻井设计参数、埋管设计参数、管内流体参数、土壤地质状况、系统运行控制方式五个方面对各类影响因素进行了分类,并具体给出了每种影响因素的参考取值、设置类型和变化趋势。详细介绍见表 5-1。
表 5-1 土壤源热泵系统特性的影响因素
表 5-1 土壤源热泵系统特性的影响因素

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结论


本文首先对土壤源热泵系统的性能参数进行了总结和研究,选择了地埋管换热器的换热性能、热泵机组的运行性能以及土壤体热平衡性作为系统性能的评价参数,并依此为理论基础对石家庄市某土壤源热泵实际项目进行了测试分析。统计出了制热工况和制冷工况下的测试结果,分析了机组运行参数与室外气温变化的关系。并从系统的用能效益、经济效益和环境效益三方面评价该实际项目的运行效果。其次,根据该实际项目,利用 DeST 和 TRNSYS 软件建立了系统仿真模型,进行系统运行模拟分析,并通过实测数据与模拟数据对比,验证了模型的正确性。最后,根据建立的系统仿真模型进行土壤源热泵系统在石家庄地区应用的影响因素研究。通过对影响土壤源热泵系统性能的因素进行归纳总结,本文有针对性的选取了钻井深度、钻井间距、土壤导热系数以及机组负荷侧出水温度四个影响因素进行石家庄地区土壤源热泵的区域适应性研究,从土壤热平衡性、地源侧供回水温差和机组 COP 三个方面进行分析,并给出实际工程应用建议。具体结论如下:
1)土壤源热泵系统的性能具体体现在地埋管换热器的换热性能、水源热泵机组的运行性能、土壤体的热平衡性能三个方面。
2)石家庄地区土壤源热泵系统运行测试结果:
制热工况下:负荷侧供回水温度为 41.6℃/37.6℃,温差 4℃。地源侧供回水温度为 5.2℃/10.1℃,温差 4.9℃。机组 COP 为 4.2,系统 COP 为 2.9。
制冷工况下:负荷侧供回水温度为 12.9℃/16.2℃,温差 3.3℃。地源侧供回水温度为 21.9℃/16.9℃,温差 4℃。机组为 COP5,系统 COP 为 3.3。
3) 该实际项目的供冷季常规能源替代量为 140893.89kgce,节能率为 16.13%;供暖季常规能源替代量为 288191.02 kgce,节能率为 31.62%;系统的静态投资回收年限 8.54 年;系统全年二氧化碳减排量为 1059839.73kg,每平方米减排量 21kg。全年二氧化硫减排量为 8581.7kg,每平方米减排量 0.17kg。全年二氧化碳减排量为4290.85kg,每平方米减排量 0.09kg。
参考文献(略)


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