太阳能跨季节储热系统非供热季运行参数的试验与模拟毕业论文(编辑修改稿)

太阳能跨季节储热系统非供热季运行参数的试验与模拟毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

初始运行参数，比如集热循环启动温差 10℃，集热循环停止温差 3℃，储热循环启动温度 50℃，储热循环 停止温差 5℃。 之后就可以进行试验参数的调节了。 由于运行参数的变量有四个，要想分析影响因素，需要进行单一变量模拟。 第一步：使储热参数不变，调节集热循环中的集热参数，即集热启动温差和集热停止温差，启动温差的变化数值为 6℃、 8℃、 10℃、 12℃和 15℃；停止温差变化的数值为 1℃、 2℃、 3℃、 4℃、 5℃、 6℃和 7℃，并把集热量和储热量模拟出来。 第二步：使集热参数不变，调节储热循环中的储热参数，即储热循环启动时的水箱温度和储热停止温差。 使储热启动温度的 参数调节 分别是 35℃、 38℃ 、40℃、 43℃ 、 45℃、 48℃ 、 50℃ 、 52℃ 、 和 55℃；使储热停止温差变化数值分别为1℃、 2℃、 3℃、 4℃、 5℃、 6℃和 7℃，最后把集热量和储热量模拟出来。 （ 3）将得到的数据分析，从相同条件下不同给定参数的运行对地温的影响程度来确定最大限度利用太阳能的优选参数。 将模拟 和 实验的结果进行分析验证，从而得出太阳能辅助地源热泵非供热季的参数控制策略。 再将控制策略输入到建立的模型中，进一步预测地温的变化。 2 太阳能跨季节储热系统非供热季简介 河北工业大学 20xx 届 本科 毕业论文 7 节能楼建筑概况 节能实验中心（如图 1）位于天津市北辰区河北工业大学新校区内，地处北纬176。 ，东经 176。 ，太阳能资源相对来说较为丰富。 节能楼的建筑面积为，高度为 22m，分为上下四层，方向为南北偏东 20176。 实验中心可用科研实验研究和教师办公，特别是可作为建筑节能、可再生能源等研究的实验平台。 节能楼于 20xx 年 10 月投入使用。 图 1 节能楼建筑外观图 太阳能跨季节储热系统的组成 节能楼的太阳能辅助地源热泵系统（ Solarassisted ground source heat pump，简称 SAGSHP），系统主要由太阳能集热器、地埋管换热器、 蓄热水箱、 地源热泵机组以及集热水泵、储热水泵等组成。 而太阳能跨季节储热系统是 SAGSHP 的重要组成部分，在非供热季，地源热泵机组没有 运行。 太阳能集热器 如图 2 所示，太阳能集热器阵列位于屋顶南向斜面，它的倾角为 25176。 ，方向为南偏东 21176。 太阳能集热器的阵列是由 54 组 型号为 LPC471550 的真空管集热器并联而成，结构均为横双排，它的采光总面积为 280m2。 河北工业大学 20xx 届 本科 毕业论文 8 图 2 太阳能集热器实物照片 蓄热水箱 如图 3 所示，蓄热水箱位于太阳能集热器和地埋管储热小井群之间，它不但在冬季的时候会起到供热缓冲的作用，在夏季的时候还会有调峰的作用。 蓄热水箱由两个水箱并联组成，每个水箱的尺寸为 2m 2m，其材质为不锈钢内胆，外包 有，它的壁厚为 2mm，底厚为 3mm。 图 3 蓄热水箱实物照 片 储热地埋管小井群 如图 4 所示，储热地埋管小井群配置 25 口井，回填材料为原浆。 钻孔的深度为50 米，间距为 米，整体形成一个正方形结构。 25 个钻孔分为三组，中心 9 个河北工业大学 20xx 届 本科 毕业论文 9 为一组，外围 16 个分为两组，每组内并联，各组间串联，使内部温度高而外部温度低形成不同的温度梯度，有利于热量的蓄积。 钻孔内的垂直埋管的管径为 32mm，承压 ，其水平支管位于地下。 其中储热井群的土壤温度是 m mm3以及 m4 四口井的平均温度。 图 4 储热地埋管小井群水平管示意 图 太阳能跨季节储热非供热季系统的控制过程 太阳能跨季节储热非供热季系统为太阳能辅助地源热泵系统的一部分，在非供热季通过蓄热装置将太阳能储存到土壤中。 太阳能跨季节储热系统分为两个运行过程，即集热循环过程和储热循环过程（如图 3）。 集热过程是达到集热启动条件后，向蓄热水箱蓄热，经过换热过程后经蓄热水箱集热出口流回到太阳能集热器。 当小于设定的 集热 停止温差时，集热过程停止。 储热过程是达到储热启动条件后，从蓄热水箱向地埋管储热，当小于设定的储热停止温差后，储热过程停止。 河北工业大学 20xx 届 本科 毕业论文 10 图 3 太阳能 — 地源热泵系统示意图 3 太阳能跨季节储热系统的试验分析 根据毕业设计内容的要求，对节能楼太阳能跨季节储热系统进行了试验分析，并针对太阳能跨季节储热系统确立了试验方案，之后对采集到的数据进行了分析，最后得出从目前结果来看的优选参数。 试验过程 试验目的 节能楼太阳能辅助地源热泵系统分为供热季和非供热季，本课题主要研究非供热季的运行情况。 在非供热阶段，经过供热季的取热，小井群的地温达到最低，而后经过太阳能跨季节储热阶段，小井群地温逐渐升高。 如图 4 所示，这些数据显示，经过储热过程，小井群地温是缓缓上升的。 所以研究太 阳能跨季节储热系统不同阶段的运行策略，有利于提高太阳能的利用率，同时尽可能的提高地温，进而提高系统的性能系数，保证系统的长期运行。 河北工业大学 20xx 届 本科 毕业论文 11 图 4 20xx 年非供热季小井群井 m1 温度变换曲线 试验方案 在非供热季不同阶段调节运行参数，分别计算出不同阶段的结果，具体的实施步骤如下。 （ 1）保证储热参数不变，调节集热循环启停温差，得出对应工况下每天的集热量、集热效率、储热量、储热效率、泵耗电量以及井群地温的变化幅度。 （ 2）保证集热参数不变，调节储热循环启动温度、停止温差，得出对应工况下每天的集热量、集热 效率、储热量、储热效率、泵耗电量以及井群地温的变化幅度。 （ 3）根据 2 得出的结论针对性的试着同时进行集热、储热参数的调节，得出对应工况下每天的集热量、集热效率、储热量、储热效率、泵耗电量以及井群地温的变化幅度。 集热和储热过程的温度曲线分析 在机组运行时，不同运行参数下的集热过程和储热过程温度变化曲线是不同的。 从实验中找出有代表性的几天进行分析。 图 7 分别 是 3 月 23 日、 3 月 25 日、3 月 27 日的集储热进出口温度以及水箱温度的变化曲线，三天设置的储热启动温度分别为 50℃、 55℃、 40℃。 对比图 6 和图 7，在 55℃的储热启动温度下，储热没有启动，说明设置的储热温度太高。 而在 40℃储热启动温度下，储热时间较长，导致泵耗量增加，储热温度设置过高和过低都是不可取的。 因此，应该选择合适的储热启动温度。 河北工业大学 20xx 届 本科 毕业论文 12 图 5 集热、储热供回水及水箱 温度随时间的变化曲线（ 3 月 23 日） 在 23 日这一天，设置的运行参数是集热启动温差 10℃、集热停止温差 3℃、储热启动温度 50℃和储热停止温差 5℃。 由图 5 分析得，在 9:20 集热循环过程启动。 在集热开始后，集热出口温度下降，水箱温度一直上升，这是由于集热出口水与水箱进行换热的作用。 在经过一段时间后，集热出口和水箱的换热基本达到动态平衡状态，集热出口温度不再下降。 而后，由于太阳能集热器集热的原因，集热出口的温度缓慢上升。 在 11:40 左右储热循环开始后，太阳辐射和储热的共同作用，集热出口温度下降。 对于水箱温度变化较为简单，集热开始，水箱温度上升；储热开始，水箱温度下降。 因此，水箱温度的设置对集热和储热过程都有影响。 对于集热回水温度，集热开始后，水箱温度的上升使得出口水温上升；储热开始后，由于水箱温度的下降，集热回水温度也会下降。 之后，由于地埋管换热器与土壤换热作用的减弱，储热回水温度上 升，集热回水温度随之上升。 而对于储热出口温度和储热回水温度，随着储热过程的进行，一个下降一个上升。 但是随着储热过程的进行，储热出水温度和回水温度变化较为缓慢，是因为换热过程温度差减小的原因。 河北工业大学 20xx 届 本科 毕业论文 13 图 6 集热、储热供回水及水箱温度随时间的变化曲线（ 3 月 25 日） 在 25 日这一天，设置的运行参数是集热启动温差 10℃、集热停止温差 3℃、储热启动温度 55℃和储热停止温差 5℃。 由图 6 分析可得，系统只有集热过程而没有储热过程，等到集热过程结束时，水箱温度仍然没有达到储热启动温度，说明储热启动温度设置的太高。 因此，虽然水箱温 度高有利于储热过程进行，但设置太高的话，集热效果较差，达不到储热温度，就有可能不能启动储热。 同时，若是只有集热而没有储热过程的话，水箱的温度较高，水箱的散热量增大，造成了不必要的能量浪费。 河北工业大学 20xx 届 本科 毕业论文 14 图 7 集热、储热供回水及水箱温度随时间的变化曲线（ 3 月 27 日） 在 27 日这一天，设置的运行参数是集热启动温差 10℃、集热停止温差 3℃、储热启动温度 40℃和储热停止温差 3℃。 由图 7 分析可得，集热开始后的短时间内，储热过程就已经启动。 说明储热启动温度设置较低的话，储热过程启动较早，储热过程运行的时间较长，但是泵耗量随之增加。 因此，要仔细权衡泵耗量和储热量之间的关系，才能得出最佳的储热温度。 太阳能跨季节储热系统数据处理 由于实际系统在运行时，运行参数在不断地调整，而参数可能单变量的调整，也可能多变量的调整，而分析数据时，应该对单一变量对结果的不同进行分析，得出最佳的运行策略。 如果观察地温的变化，结果可能不是那么的明显，因此，可以对集热效率和储热效率进行分析，选出 储热总效率 =集热效率储热效率最大的参数作为优选参数。 效率的计算公式如下所示：集热效率 = ；储热效率 = 按照此方案数据处理后，整理的数据分析如下表所示： 河北工业大学 20xx 届 本科 毕业论文 15 表 1 不同天集热量、储热量以及储热效率的数据分析表 日期 集热量 (kWh) 储热量（ kWh） 储热效率 20xx/3/23 1308 905 20xx/3/24 1117 593 20xx/3/25 747 20xx/3/26 1154 973 20xx/3/27 1033 623 20xx/3/28 932 513 20xx/3/29 932 583 20xx/3/30 880 501 20xx/3/31 20xx/4/1 20xx/4/2 20xx/4/3 1461 883 表 1 是针对不同天中，某些天储热效率明显较高的分析。 由表分析可得，分析天的储热效率在 50%60%之间。 在 3 月 23 日， 3 月 26 日和 4 月 3 日时，储热效率比较高。 特别是在 3 月 26 日这一天，储热效率达到 ，这是因为在这前一天，只有集热而没有储热，将剩余的热量保留到第二天，导致蓄热水箱开始时的温度较高。 因此，较高的初始水箱温 度容易达到储热启动温度， 提早了储热启动的时间， 有利于储热过程的进行，进而提高了储热效率。 表 2 在相同的集热启停参数为 6℃、 3℃以及储热停止参数 3℃下，不同水箱温度的集热量、储热量以及储热效率的分析如下所示。 河北工业大学 20xx 届 本科 毕业论文 16 表 2 不同水箱温度 下储热效率的数据分析表 日期 水箱温度（℃） 集热量 (kWh) 储热量（ kWh） 储热效率 20xx/4/8 35 927 528 20xx/3/30 40 880 501 20xx/4/9 1121 611 20xx/4/10 1150 637 20xx/4/11 844 472 20xx/4/16 1601 920 20xx/4/19 296 0 0 20xx/4/12 45 0 0 0 20xx/4/13 1454 787 20xx/4/17 1256 704 20xx/4/20 1445 905 20xx/4/18 50 449 255 由表 2 分析可得，在不同的水箱温度下，太阳能跨季节 储热系统的储热效率的变化并不大，并且同一设置运行参数下会出现不同的储热效率。 如在 20xx 年 4 月 9 日这一天，设置的水箱温度为 40℃，储热效率为。 比 4 月 8 日设置 35℃时的储热效率 低，但是在 4 月 16 日设置水箱温度为 40℃的储热效率 又比 4月 8 日的储热效率高，因此，用实验数据分析存在很多局限性，实验不能保证在相同的气象参数下。 在表 2 中， 4 月 20 号这一天的储热参数比其它天储热参数要高出许多，这是因为在 4 月 19 日这一天系统只有集热而没有储热，导致在 20 号当天系统开始运行时，水箱的温度较 高，容易达到启动的储热温度。 在相同的集热启停参数 6℃、 3℃以及储热停止温差 3℃下，不同水箱温度下的集热效率分析如 表 3 所示。 河北工业大学 20xx 届 本科 毕业论文 17 表 3 不同水箱温度集热效率的数据分析表 日期 水箱温度（℃） 集热量 (kWh) 辐射量（ kWh） 集热效率 20xx/4/8 35 927 1760 20xx/。