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目前,太阳能作为最具前途的清洁可再生能源,正得到广泛应用,但太阳能存在能量密度低、不稳定、具有间歇性和周期性等诸多局限性,从而使太阳能直接利用受到限制。土壤源热泵作为高效的建筑供暖空调用可再生能源技术之一,在实际工程中得到大规模应用,同时我们也发现土壤源热泵在运行中长期连续从土壤取热,将会使土壤的温度场长期得不到有效恢复,造成土壤温度不断降低,导致热泵机组的COP值和稳定性下降。
本文从克服太阳能和土壤源热泵系统单独运行时存在的问题出发,提出了太阳能土壤跨季节蓄热及其与地源热泵相结合的太阳能.土壤源热泵联合供暖系统,开展了联合供暖系统运行特性的实验研究。
主要研究内容包括:
(1)确定了太阳能与地源热泵联合供暖系统的运行模式及运行工况,设计、搭建了联合供暖系统的实验台,在精确计算的基础上对实验系统各部分进行了合理匹配。
(2)对太阳能-地埋管系统土壤蓄热特性进行了实验研究。分析了蓄热期间,太阳集热器效率、土壤蓄热率、地下温度场及系统耗功等参数的变化;计算得到蓄热周期内土壤蓄热率ψ约为79.04%,土壤跨季节热损失率约为48.22%,太阳集热器的日平均集热效率约为59.50%,冬季每多从土壤中获得1kJ的热量需消耗蓄热期间0.3kJ左右的泵功。表明使用太阳能.地埋管式土壤储热系统对太阳能长期存储是可行的,显示了较好的应用前景。
(3)对有跨季节蓄能的太阳能-地源热泵联合供暖系统进行了实验研究。计算系统供暖期间取热率的大小,分析土壤温度场的变化;综合考虑实验周期内系统制热系数的大小,分析了联合供暖系统运行的稳定性及可行性;对冬季太阳能热泵和地源热泵的性能进行了分析。系统供暖期间太阳能热泵、地源热泵、太阳能.土壤源热泵的机组COP平均值分别为3.56、3.32和3.41;全系统COP平均值为2.23;联合供暖实验系统平均取热率在33.2%左右。研究表明,太阳能一地源热泵联合供暖系统实现了太阳能和土壤热的综合利用,弥补了单独热源热泵的不足,具有很好的供暖性能。
本文对太阳能土壤蓄热及太阳能.土壤源热泵联合供暖系统进行的实验研究对系统的工程设计、运行管理、理论模拟等具有一定的参考价值,希望本文的研究成果对太阳能和地源热泵等可再生能源的发展有所贡献。