基于TRNSYS的地埋管换热器温度场变化规律研究

目的根据地源热泵不同运行模式下对地埋管换热器周围土壤产生不同影响,研究其周围温度场的变化规律.方法运用模拟软件TRNSYS对某办公楼建筑全年逐时负荷进行计算,并进行地源热泵的设计,然后模拟地源热泵冬夏两季、只冬季、只夏季运行后后土壤温度的变化.结果地源热泵冬夏两季运行1年、5年后土壤温度分别为9.272℃、8.315℃;地源热泵只夏季运行1年、5年后土壤温度分别为11.02℃、12.95℃;地源热泵只冬季运行1年、5年后土壤温度分别为8.929℃、7.552℃.结论地源热泵冬夏两季运行比单季运行时,土壤温度的变化幅度较小,且最终温度更接近土壤初始温度,更有利于地源热泵的长期运行.     

蓄/取热工况套管式地埋管换热器换热特性试验研究

为研究竖直套管式地埋管的非稳态传热特性,通过搭建竖直套管式地埋管传热特性砂箱试验台,对竖直套管式地埋管进行了试验研究,分析了蓄热工况和取热工况下不同运行模式对竖直套管式地埋管以及其周围土壤传热特性的影响,获得了竖直套管式地埋管流体的进出口水温、周围土壤温度、单位井深换热量以及平均传热系数的变化规律。试验研究结果表明：蓄热工况下在间歇运行模式分别为1:1与1:2情况下,启停比越小,地埋管周围土壤温度波动范围越大;取热工况下,距离地埋管径向距离越远的土壤温度受启停比时间的影响较小;间歇运行模式下的单位井深换热量比连续运行模式下单位井深换热量高,运行72 h时启停比1:1模式下单位井深换热量比连续模式下单位井深换热量高157.98 W/m。可见间歇运行模式有利于土壤恢复,实际工程中可根据建筑要求合理选择间歇运行。     

竖直U型地埋管传热性能数值模拟

对土壤源热泵系统在制冷季中垂直U型地埋管的传热性能进行数值模拟,揭示U型管入口水温、入口流速和回填材料导热系数对地埋管传热性能的影响规律.计算结果表明:在30~60°C的入口温度范围内,当雷诺数从3 000提高到11 000时,会使地埋管热流量增大10~23W,但会导致流体进出口温差降低0.2~1.34°C,在工程应用中流体进口流速要控制在一定范围内.水的入口温度和雷诺数分别为45°C和7 000时,回填材料导热系数从0.5 W/m·K增大至2.5 W/m·K,U型地埋管的热流量增大了将近2倍,也就是说在工程应用中,如果在回填土中掺混一定比例的保水材料将会增强埋管换热,并防止埋管长期运行时由于土壤本身保水性差使得土壤板结从而导致埋管失效.模拟结果与实验数据进行对比吻合较好.     

长沙地区多功能地源热泵系统的模拟与分析

以长沙地区宾馆建筑为例,建立制冷、制热和制热水的多功能地源热泵系统模型,对多功能地源热泵系统全年运行的技术经济性能进行研究.分析多功能地源热泵系统地埋管换热器周围土壤热平衡性和系统全年能耗特点,并与传统的空气源热泵加电热水器系统进行能耗及全生命周期经济性比较.研究结果表明,与常规的地源热泵系统相比,应用多功能地源热泵系统可明显改善地下土壤全年释热量与吸热量的平衡性,运行10 a后土壤温度比相同地埋管长度的常规地源热泵系统减少3.9℃;夏热冬冷地区的多功能地源热泵系统夏季的总能耗最高,冬季次之,春秋季最低;与空气源热泵加电热水器系统相比,多功能地源热泵系统总能耗可节省46％,生命周期内的费用现值节约率变化范围为7％～40％,投资回收期变化范围为5～12 a.     

套管式地埋管换热器的换热影响因素研究

为解决传统U型地埋管换热器在严寒地区换热效率低的问题.以套管式换热器为研究对象,以实验结果验证模型可靠性,采用数值模拟的方法对入口流速、回填导热系数、流体流动方式以及埋管材质对其换热性能的影响进行研究.研究结果表明,入口流速为0.5 m/s时,单位延米换热量可达42.2 W/m;回填导热系数由1 W/m·K增加到2.5 W/m·K时,单位延米换热量提升32.4％,由2.5 W/m·K增加到4 W/m·K时,单位延米换热量提升9.2％;套管内外管导热系数分别为0.45、2 W/m·K时,单位延米换热量可达56.98 W/m;套管内流体内出外进较内进外出的换热性能提升4.23％.研究成果可为土壤源热泵系统中换热器优化设计提供参考.     

空气源热泵-地埋管换热系统蓄热性能研究

对于热负荷占优的寒冷地区,土壤源热泵系统长期运行使得土壤温度逐年降低,非采暖季利用空气源热泵为地埋管换热系统进行蓄热可有效地解决土壤热平衡问题。以实际工程为支撑,对空气源热泵-地埋管换热系统进行蓄热性能测试,结果表明：系统平均制热量可达到空气源热泵额定制热量的2.17倍,系统平均能效比为7.2,地埋管循环介质平均温差为4.5 ℃,系统运行稳定。基于TRNSYS软件对蓄热过程进行模拟,结合实验数据验证模型正确性,结果表明：经蓄热后土壤温度从初始的15.8 ℃上升至16.4 ℃。蓄热期间,采用多目标优化法得到空气源热泵蓄热系统全天运行时最优工况：循环水泵总流量为100 m3/h、空气源热泵总额定制热量为723.7 kW,在此工况下土壤目标温升为3.0 ℃时,系统能耗为474 820.0 kWh,增加的蓄热运行费用为3.96元/m2。与传统热源燃煤、燃气、热电联产蓄热方式相比,空气源热泵蓄热系统的能源与环境效益显著。     

非连续运行工况下垂直地埋管换热器的换热特性

为了探讨非连续运行条件下地埋管的换热特性,基于相似理论搭建了地下换热模型试验台,进行了不同间歇运行工况的试验测试;建立了垂直U型埋管换热器二维非稳态传热模型,分析了单工况间歇运行、双工况交替运行及地下岩土类型对非连续运行条件下土壤温度分布特性的影响.结果表明:合理的间歇运行模式有利于埋管周围土壤温度快速恢复,从而可有效提高浅层地热能利用率;对于单工况间歇模式,等负荷强度变运停时间比时土壤温度恢复效果随间歇时间增加而增加;当放热量一定时,土壤温度波动较大,但并不一定能显著改善机组运行效果.对于双工况交替模式,均可显著降低土壤温升率,且间歇双工况交替比连续交替可增加全年土壤取放热不平衡率.此外,土壤导热系数与热扩散率越好,其温度恢复越快.实验表明:所建模型预测温度的计算值与实验值最大绝对误差为0.45℃,相对误差小于5%.     

辅助冷却复合式地源热泵实验研究

对于采用地源热泵系统的以冷负荷为主的商业性建筑,因夏季冷负荷大于冬季热负荷,地下埋管年排热量大于年吸热量,若完全依靠地源热泵来供冷,则会造成埋管换热器换热能力下降和热泵机组的初投资比较高,热泵系统的循环效率也会降低。采用辅助冷却复合地源热泵系统,可有效降低系统投资,提高系统的运行节能效果。本文对复合地源热泵垂直理管换热器的换热能力进行研究以及周围土壤温度的变化进行分析。     

严寒地区太阳能土壤源热泵土壤温度场特性

为了解决严寒地区地源热泵长期运行所引起的土壤温度逐年降低问题,建立了太阳能全年补热的土壤源热泵系统模型.结合某办公建筑土壤源热泵项目,建立了2口120 m深U形垂直埋管试验井,进行热响应试验,得出制热工况与制冷工况的土壤导热系数与热扩散系数分别为1.883 W·(m·K)~(-1)和7.608×10~(-7)m~2·s~(-1);制冷工况的导热系数与热扩散系数分别为1.758 W·(m·K)~(-1)和9.203×10~(-7)m~2·s~(-1).利用TRNSYS软件平台模拟了土壤温度场变化,结果表明:热泵运行10年的土壤温度降为5.17℃,获得了供暖、供冷、过渡季节的太阳能联合土壤源热泵系统的土壤温度的恢复情况.     

太阳能-U形埋管土壤蓄热特性数值模拟与实验验证

为了探讨利用太阳能-地源热泵系统中现有钻孔U形埋管进行太阳能跨季节性土壤蓄热的可行性及其特性,基于多孔介质传热传质及地下水渗流理论,建立了考虑地下水渗流与热湿迁移影响的准三维U形埋管土壤蓄热的数学模型.基于对模型的数值求解,探讨了间歇蓄热运行模式及地下水渗流对U形埋管土壤蓄热特性的影响,结果显示:间歇蓄热方式有利于土壤温度的恢复,从而可提高蓄热效率;同时,地下水渗流的存在可以强化地下埋管的换热效果,但不利于用埋管作为蓄热装置.实验验证表明,埋管日平均出口温度及日蓄热的计算值与实验值随时间的变化规律一致,其平均相对误差为5.6％.所建模型为U形埋管土壤蓄热及其传热特性的研究提供了理论基础.     

基于混合动力燃气热泵的独立供能系统

为了克服微型分布式供能系统空调负荷的不足和内燃机在低负荷工况下运行时效率低的缺陷,提出一种基于混合动力燃气热泵的独立供能系统.在分析冷热电(模式A)、热电(模式B)以及冷热(模式C)3种不同工作模式运行过程的基础上,分别建立了其动力系统的能量传送数学模型.模拟结果表明:动力系统在燃气机输出负荷率为70%~80%之间时,热效率较高;在3种不同的工作模式中,模式C的动力系统的热效率最高,最大值到达0.4以上,模式A的动力系统热效率次之,模式B的动力系统热效率最低;本系统在热泵空调模式(模式C)下运行时,比常规的单一燃气发动机驱动的热泵空调系统节能,动力系统的热效率总体提高约3.5%.     

卫生热水蓄热方式对地埋管换热性能的影响分析

竖埋管地源热泵系统为室内环境控制提供冷热量。在空调工况下,热回收机组可以提供卫生热水。卫生热水的供应在冬夏不同的运行模式下,对地埋管的换热性能影响不同。通过某地源热泵工程设计,分析了冬夏季卫生热水系统在蓄热方式下对地源热泵系统地埋管换热性能的影响。利用卫生热水的蓄热能力,对地埋管换热器在不同工况下的动态换热性能进行了对比分析,并通过数值计算得到了不同运行模式下地埋管的换热性能参数。根据计算结果提出了在该工程负荷特性下的系统调节方式。     

太阳能热泵热水装置试验研究与应用分析

研制了一种将热泵与太阳能热水器结合的太阳能热泵空调热水器装置,对正在进行试验研究的太阳能热泵空调热水器一体装置的基本原理和构成进行介绍,并对其在热泵制热水模式下的运行工况进行了实验研究.实验结果得到能效比最大可达3.85,平均在3.0以上.并分析讨论了各种参数变化对系统的影响,在此基础上做出了该装置的耗能分析.与其他类型的热水器进行了经济性比较,数据结果表明该热水器装置更为经济.     

重庆地区垂直双U地埋管换热器保温性能研究

以层换热理论为基础,重庆某示范楼工程土壤源热泵系统为对象,建立实验系统,测试了实际运行状况下的地埋管换热器供回水管不同深度的水温.从地埋管不同时刻的平均水温和换热能效两个方面分析了实测数据,研究了回水管保温与不保温时垂直双U地埋管换热器的换热情况.结果表明,在冬季,保温地埋管典型日不同时刻的换热能效比不保温的高出14.09%,月平均换热能效比不保温的高出23.08%,季平均换热能效比不保温的高出40.54%.在夏季,保温地埋管典型日不同时刻换热能效比不保温的高出10.76%,月平均换热能效比不保温的高出28.57%;季平均换热能效比不保温的高出41.48%,回水管保温有利于加大地埋管换热器的换热能力.     

基于除霜的相变蓄热器对空气源热泵性能的影响

针对空气源热泵蓄能除霜系统,提出了串联供热、非连通供热和连通供热3种供热模式,并实验研究了3种供热模式下相变蓄热器对空气源热泵性能的影响分析实验数据发现非连通供热模式和串联供热模式相比系统主要参数（压缩机吸排气温度和压力）除排气温度升高5℃,其他基本无变化．连通供热模式的吸排气温度和串联供热模式相比分别升高了15℃和30℃,排气压力降低了0．2MPa．3种供热模式中串联供热模式的性能系数（EER）最高,连通供热模式和非连通供热模式性能系数因参与运行的制冷剂减少而有所降低,连通供热模式的系统性能系数具有较大的提高潜力。     

热电热泵在非设计工况条件下的性能分析

 采用直流电源模拟太阳能电池板输出不稳定电压驱动热电热泵工作,通过实验测试研究了在连续长时间工作、电压跳跃变化和极限电压工况下,热电热泵冷端温度T_c、热端温度T_h、冷热端温差T_d的变化对其制冷/制热的性能系数（COP）的影响。结果表明,在适宜的电压范围内,热电热泵的制冷速度快、工作性能稳定且能够长时间连续工作,而制热效果明显优于制冷效果,制热效率（E_h）平均高于制冷效率（E_c）约0.8;热电热泵的最佳工作电压区间为2~4 V,此时的冷端温度低、制冷量大、COP 值在理想范围(E_c=0.87~1.89,E_h=1.75~2.75);随着工作电压增高,热电热泵的冷热端温差增大,COP 值减小,当电压大于8V 后,冷热端温差大于45℃,COP 值降至最小,工作性能较差。     

蓄能型蛇形管太阳能?——空气源复合热泵系统实验研究

蛇形管蓄能型太阳能——空气源复合热泵系统结合了空气源热泵技术、太阳能利用技术和蓄能技术三者的优点,是一种高效新型的热泵系统。在搭建好实验台后,通过实验分析了该系统在常规空气源热泵供热模式、蓄冷模式、取冷模式、蓄能热泵供热模式、边蓄热边供热模式下的性能特性。实验结果证明蓄能型蛇形管太阳能——空气源复合热泵系统运行高效、安全、稳定可靠。     

燃气机热泵热水器季节运行模式及其性能实验

针对燃气机热泵热水器在全年制取生活热水的同时可满足对建筑冬季供暖夏季供冷的需求,对系统不同季节运行模式下的性能进行了实验研究,并利用季节一次能源利用率(SPER)的评价方法对系统性能进行评价.结果表明:夏季供冷兼制生活热水模式下,系统SPER为2.16,比单纯制取生活热水模式季节性能提高了46.9%;春/秋自然通风兼制生活热水模式下,转速为1,000,r/min时系统SPER最高为1.99;冬季供暖兼制生活热水模式下,系统SPER为1.82,比单纯制取生活热水模式季节性能提高了15.9%.     

土壤源热泵机组冬季供热性能的数值模拟与实验研究

分析热泵机组各部件参数之间的相互关系和运行特征，建立了可快速准确地模拟热泵机组动态过程的数学模型，并对土壤源热泵系统性能进行了数值模拟，其结果与实验测试值吻合较好。实验和模拟结果表明：上海地区土壤源热泵机组的制热性能系数COPh基于为3．1左右，优于风冷热泵机组，是一项有效的节能技术。