严寒地区太阳能季节性土壤蓄热热泵供暖系统的模拟研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第29卷第5期太阳能学报Vo1．29，No．52OO8年5月ACTAENERCIAESOIARISSINICAMay．2008严寒地区太阳能一季节性土壤蓄热热泵供暖系统的模拟研究韩宗伟，郑茂余，孔凡红(哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)摘要：为了缓解在严寒地区长期应用土壤源热泵系统(GSHP)进行供暖所出现的系统供暖性能系数逐渐降低、出力不足等问题，同时考虑到冬夏太阳能资源的不均匀性，着重介绍了太阳能季节性土壤蓄热热泵供暖系统(SAG．sHP)以及系统冬、夏两季的主要运行模式，并建立了系

2、统各个部分的数学模型，确定了系统各运行模式的转换条件。在上述基础上，分别对SAGSHP和GSHP供暖系统进行了瞬态数值模拟，并对比分析了这两个系统的全年运行特性。由分析可知，SAGSHP能保持土壤温度场以年为周期的热平衡，同时可以提高系统的供暖性能系数以及供暖可靠性。关键词：土壤源热泵；季节性土壤蓄热；供暖性能系数；数值模拟；热平衡中图分类号：TK512文献标识码：A度上提高了整个系统的运行性能系数，实现土壤以O引言年为周期的热平衡，使得系统可连续多年使用，同时严寒地区冬季供暖期长、热负荷很大，而夏季空提高系统的供暖可靠性'引。目前，该项技术在国外调期

3、相对较短，冷负荷较小，土壤的平均温度较低，有很多类似应用。，而在我国应用较少，尚属起步若单独使用土壤源热泵系统进行供暖、空调，势必会阶段lo]。造成系统对土壤取热和补热的不一致，土壤换热器1系统的组成以及主要运行模式周围的土壤温度将会逐年下降，虽然每年的降幅不大，但是长时间运行换热器周围的土壤温度场会出如图1所示，系统主要由平板型太阳集热器、垂现不可恢复的恶化，同时随着换热器周围土壤温度直u型管土壤换热器、热泵机组、风机盘管等组成。逐渐下降，热泵的制热性能系数也逐渐下降，甚至会整个系统在全年运行过程中，主要有以下3种出现出力不足的现象。因此，土壤源热w

4、ww.zhulong.com泵系统主要运行模式：适用于全年冷热负荷较接近的地区。为了实现换热模式1：太阳能土壤蓄热。主要包括夏季的季器周围土壤温度场以年为周期的热平衡，保证热泵节性土壤蓄热以及在供暖期当系统停止供暖时的间机组的高效运行，必须向土壤补充热量。歇性土壤蓄热，后者由于蓄取热的间隔较短，虽然蓄利用太阳集热器收集的太阳热对土壤进行补热量相对较小，但是取热率较高，在很大程度上提高热，同时间歇作为热泵的低位热源进行供暖是一个了整个系统的运行性能系数；很好的选择。由于太阳能资源分布不均匀，夏季太模式2：太阳集热器、土壤换热器与热泵机组串阳辐射较强，而在

5、冬季供暖期时的太阳辐射较弱，因联运行，太阳能与土壤共同作为热泵的低位热源。此为了降低系统的初投资，减小集热面积，不能单独由于加入了太阳热，使得热泵蒸发器进口温度相对利用冬季的太阳热，本文提出将夏季的太阳热蓄储较高，提高了热泵的制热系数；到深层土壤中，冬季以太阳能和土壤热作为热泵的模式3：太阳集热器关闭，土壤源热泵供暖。由复合热源进行供暖，实验结果表明：该系统在很大程于模式1、模式2的运行，使得土壤换热器周围土壤收稿日期：2006．12-18通讯作者：韩宗伟(198O一)，男，博士研究生，主要研究太阳能热利用、相变蓄能技术。taiyangr,hen112

6、2@163．cola维普资讯http://www.cqvip.com5期韩宗伟等：严寒地区太阳能—季节性土壤蓄热热泵供暖系统的模拟研究575温度得到一定程度的恢复，在很大程度上缓解了系热板温度的变化。统连续运行导致的热泵性能系数持续下降、出力不2．1．2土壤换热器模型足的问题。本系统采用3个U型管换热器并联运行，间距为lOre。为简化计算，忽略换热器间的相互影响，同时将U型管换热器等效成一垂直单管，当量直径D=GD。忽略换热器周围切向温度梯度，选用二维圆柱坐标系。①换热器周围土壤的控制方程及其控制条件控制方程：Ot(r，，，)lDsLp8————一[塑

7、】+10[塑】(5)A一太阳集热器；B一膨胀水箱；c一土壤换热器；D一蒸发器；E一冷凝器；F一压缩机；G一热力膨胀阀；边界条件：H一风机盘管一一人8—l=㈤一■图1供暖系统示意图Fig．1SchematicdiagramofSAGSHPheatingsystem一f，：=。(7)2系统的数理模型及模式转换条件一f：a[t一t(r，，r)Ix=O,。2，，。]2．1系统的数理模型2．1．1平板太阳集热器模型(8)太阳集热器是一种特殊的热交换器，其换热过一入f：，，，。=。(9)程可用能量平衡方程(1)来描述n。初始条件：A，(砸)=Q+G+A(t一t)(

8、1)假定视集热系统运行时，集热器的集热过程为⋯，r)e～cos一)准稳态过程，即0；同时考虑到