基于粒子群算法的土壤源热泵系统优化

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1、大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名．牟若尝作者签名：苴厘丝导师签名：凇塑睦≥盟j年—』朔_ELB大连理工大学硕士学位论文1绪论1．1课题的背景及目的本课题属于可再生能源利用领域，土壤源热泵系统的设计是否能达到节能环保的最优值的关键性问题是地

2、埋管换热器的设计、熟泵机组的选择与建筑物负荷之间的匹配与优化。土壤源热泵技术是一种既节能、又环保的实用空调技术，应用了近几十年，是一种广泛采用的空调系统。自20世纪90年代后期，地源熟泵空调技术在我国的研究和应用有了发展，理论和实践研究活跃，工程应用逐年增加【II．土壤源热泵是以大地为热源的热泵。通过循环液在地下埋管中流动，冬季通过热泵提取土壤中的低位热能，对建筑供暖，同时在土壤中蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时在土壤中蓄存热量，以各冬用。土壤源热泵可以充分发挥地下土壤蓄能作用，实是一种节能、环保，对环境无害的绿色采暖空调技术，符合

3、我国可持续发展战略的要求。由于只用浅层岩土层中的热量、不存在浪费或破坏水资源的隐患，真正实现了环境友好，并可在全年较好地实现冬储夏用、夏储冬用。从全年的角度看，能量可以在一定程度上得到循环利用。因此，特别得到越来越多的企业、用户的关注，国外许多著名品牌熟泵企业与公司也纷纷投身到我国土壤源热泵的市场竞争中来。近几年来，我国已经开始对土壤源热泵系统进行一系列的研究，很多城市己建立了土壤源熟泵示范工程。由于现在对于土壤源熟泵系统整体的应用研究、分析不完善，尤其是系统的工程设计、运行研究及工程的整体优化分析较少，这在很大程度上制约了土壤源热泵的推广应用。鉴于以上情况，本课题对土壤源热

4、泵系统从建筑负荷出发，考虑熟泵机组和地埋管换热器的匹配情况，对系统进行整体优化，构建土壤源热泵系统优化平台，为工程设计人员设计出合理、高效节能的系统提供参考。1．2课题的意义和应用价值土壤源热泵与其他形式的热泵的最大区别是其冷热源为土壤。以土壤作为冷热源和以空气作为冷热源相比较，其优点是土壤的温度比较恒定，冬季土壤温度大于室外空气温度，夏季土壤温度低于室外空气温度，因此土壤源热泵的制冷、制热系数高于空气源热泵，～般可高于40％12j。土壤的温度分布与土壤中的热量得失密切相关。土壤中可获得的热量来源有：太阳基于粒子群算法的土壤源热泵系统优化辐射地球内部产生的热、土壤中生物过程释

5、放的热、化学过程产生的热。其中太阳辐射是表层土壤热能的主要来源。土壤获得太阳辐射能后，又以多种方式向外输出，其中对流、地表辐射、地面蒸发、生物蒸腾作用消耗的热能以及向地层深处传导的热量。不难看出，大气温度的变化，通过影响这些输出方式对土壤表面温度产生影响[31。在大地深度为20_oO米处存在一个恒温带，恒温带的温度取高于年平均气温2—6℃。在恒温带以下，大地温度以0．3℃／m(这是全球平均值)的地温梯度递增。而在深度lOm以下，恒温以上的大地温度由于受大气气温年周期交化，地球内部向外散热以及地下水活动影响，温度变化规律比较复杂【4】。由于大地的换热性能远远高于空气，土壤源熟泵

6、系统能够显著的降低能耗。与传统空调系统相比土壤源热泵系统在运行费用方面有很大的优势。在商业应用中，使用土壤源热泵系统节能达到17％；住宅应用中的能耗则减少32．4％【5吲。土壤源热泵系统在节能环保方面有很多优势，但在土壤源热泵技术的发展过程中，受到了以下几个因素的制约。其初投资较大。土壤源热泵系统的初投资不仅包括传统空调系统的管路和设备投资，还包括地埋管换热器投资、地埋管敷设投资以及购买敷设盘管所需土地的使用权或所有权的投资【7】。钻孔费用约占系统总投资的1／2。土壤源热泵系统受地域条件影响较大。土壤源热泵与其他形式的热泵和空调系统的最大区别是其冷热源为土壤。由于各地的地质条

7、件有较大差异，造成地埋管与土壤间的换热系数、土壤的初始温度及她温恢复能力相差较大。在设计地埋管长度时将产生问题：若地埋管设计过长，将会造成初投资的浪费；若设计过短，不但满足不了设计工况要求，严重的话还会造成设备损坏嘲。这就导致即使在某一地区有比较成功的土壤源热泵系统的研究成果也很难应用到其它地区。土壤源热泵技术的不完善对于系统的普及和发展也是较大的阻力。例如，地埋管换热器与工程中通常遇到的换热器不同，它不是两种流体之间的换热，而是埋管中的流体与固体(地层)的换热。这种换热过程很特殊。它是非稳态的，涉及的