（制冷及低温工程专业论文）太阳能地源热泵复合系统理论分析及研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 当地源热泵系统地下换热器全年的换热量出现不平衡的现象时，长期积累，影响地 下换热器的换热性能，甚至使地源热泵系统失效。对于供热量需求比较大的建筑，在一 年的运行周期中需有合适的热量对地下换热器补充热量，而太阳能正是一种可行的用于 补充热量的清洁能源。充分合理地利用太阳能资源，这对于缓解能源与环境危机具有重 要意义。 本文对济南地区一办公楼建筑系统建立了数学模型，进行了负荷模拟，得到夏季最 大冷负荷值为3 6 8 k w ，冬季最大热负荷值为3 3 8 4 k w 。运用t l 州s y s 软件中的相应模块对 该办公楼地源热泵系统进行了夏季、冬季及多年运行工况下热泵机组的供、回水温度： 地埋管的进、出口水温参数的模拟。得出夏季和冬季工况下的运行参数值基本合理；系 统在运行2 0 年的工况下地埋管进、出口温度呈现不断下降趋势，进而使冬季热泵机组的 运行效率不断降低，不利于机组的运行。土壤温度存在较为明显的下降趋势，地温从最 初的1 5 降至l o 7 ，降幅达到2 8 7 。 对该办公楼地源热泵系统在冬季连续一周时间内的运行工况进行了实验测试。进而 对比分析了该地源热泵系统运行参数的模拟值与实测值，得出在采用相关数学模型进行 模拟分析时，误差在允许的范围之内，模型对于本系统具有一定的适用性。 鉴于该地源热泵系统存在地下换热器冷热不平衡的不足之处，本文提出了一种太阳 能辅助地源热泵系统供热的方案，确定了太阳能地源热泵复合系统流程，并对此复合系 统运用g e n o p t 和t r n s y s 软件进行了优化模拟分析。此复合系统较好的解决了地埋 管换热器全年累加换热量不平衡的问题：复合系统中平板太阳能集热器太阳能保证率在 3 7 4 3 范围内，在供热季节中运行效果较好：集热器效率值o 3 一o 4 5 范围内，且较好的 维护了机组运行的稳定性能，机组c o p 值维持在4 2 左右；通过太阳能和地源热泵机组的 联合运行较好的解决了单一地源热泵机组运行时，由于冷热不平衡，造成的地温连年下 降的现象，使平均地温维持在1 4 8 左右的相对恒定状态。本方案具有一定的可行性。 根据当地实际条件，研究太阳能与地源热泵综合利用的复合能源系统，将对社会节 能和环保产生较为深远的意义。 关键词：地源热泵，太阳能，供热，制冷 山东建筑大学硕士学位论文 t h e o r e t i c a ia n a l y s i sa n ds t u d yo ns o l a r g r o u n dc o m p o u n ds o u r c e h e a tp u m ps y s t e m y a n gj i n g ( r e 衔g e r a t i o na n dc r ) ，o g e n i c se n 舀n e 嘶n g ) d i r e c t e db yw a n gq i a n g a b s t r a c t d u et ol o n 争t e 肌a c c 啪u l a t i o no fc o l d 锄dh e a tl o a di m b a l a i l c eo ft h eu n d e r g r o u n dh e a t e x c h a n g e rt h r o u 曲o u tt h ey e a ri ti sb a df o rt l l ep e r f o 肌狮c eo ft h eh e a te x c h a n 毋瓦o re v e n c 跚s e sf a i l u r eo fg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m f o rt h eb u i l d i n g sw h i c hh a v er e l a t i v e l y l 鹕eh e a tq u a n t i t yd e i t l a n d ，i ti sn e c e s s a r yt oa d dh e a tt 0t l l eu n d e 谬o u n dh e a te x c h 肌g e ri n o p e r a t i o nc y c l ef o ray e 越s o l a re n e r g yi saf e a s i b l e 舶e r g ys u p p l e m e i l t 裙ak i n do fi i 明e w a b l e 饥唱y 1 ti so f 铲e a ti m p o n 锄c et om a k e 如l lu s eo ft h ef a v o r a b l es o l a re n e r g yr e s o u r c e sf o r d e a l i n gw i me n e r g ya n de n v i r o 啪e n t a l 谢s i s m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e da n dal o a ds i m u l a t i o ni sc 硎e do u tf o r 锄。衔c e b u i l d i n gi nj i n 锄i nt h i sp a p e r i ti sg o t t t i l a tt l l em a x i m u mc 0 l dl o a dv a l u ei ns u 舢m c ri s3 6 8 k wa n dt h em a x i m u mh e a tl o a dv a l u ei nw i n t e ri s3 38 4k w s i m u l a t i o na j l a l y s i s e so fo p e r a t i o n c o n d i t i o n sa r ec o n d u c t e df o rt l l e 乎o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mi ns u m m w i n t e ra n df o r m 锄yy e a r sb yu s i n gt h ec o r r e s p o n d i n gt r n s y ss o r w a r em o d u l e s s i m u l a t i o np a r a m e t e r s i n c l u d es u p p l ya n dr e t u mw a t e rt 锄p e r a t u r e so fh e a tp u m p 锄di m p o r ta n de x p o nw a t 盯 t e m p e r a t u r e s0 ：fb u e dt u b e s a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t so fi no p e r a t i o nt i m e ，i ti s c o n c l u d e dt h a tt h eo p e r a t i o np a r a m e t e 璐v a l u e so fi ns u m m e r 绷dw i n t c rc o n d i t i o n si s r e a s o n a b l e t h ei m p o r ta n de x p o nt e m p e r a t l j i 。e so fb u r i e dt u b e sh a v ec o n t i n u e dt od e c l i n e ，s o d o e st h eo p e r a t i o ne f 行c i e n c yo fh e a tp u m pi nw i n t e rw h i c hh a sd i s a d v a n t a g eo fu n i to p e r a t i o n f o r2 0y e a r s s o i lt e m p e r a t u r ei sd r o p p e df r o m1 5 t ol o 7 ，f e l lt o2 8 7 a ne x p 甜m e n ti sc a 州e do u tf o rt h e 伊o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e mf o raw e e ki nt h e w i n t e ro p e r a t i o nc o n d i t i o ni nt h i sp a p 盯t h e nac o m p 撕s o na n da n a l y s i si sc o n d u c t e db e m e e n s i m u l a t i o nv a l u e s 锄de x p 丽m e n t a lv a l u e s t h ee r r o ri si nap e r n l i t t e d 啪g ew i t ht h er e l a t e d m a t h e m a t i c a lm o d e l s t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rt h i ss y s t e mh a v ec e r t a i na p p l i c a b i l i t y i nv i e wo ft h ed e f e c t so f t h es y s t 啪，m i sp a p e rp u t sf o n v a r das o l u t i o no fs o l a r e r g y u 山东建筑大学硕士学位论文 a m 【i l i a r y 目o u n d s o u 】广c eh e a tp 啪ph e a t i n g ac 0 m p o u n ds y s t 锄n o wi se s t a b l i s h e d a n 叩t i m i z a t i o na i l ds i l l l u l a t i o na i l a l y s i si sc o n d u c t e dw i t l lg e n o p t 锄dt r n s y ss o 脚a r e t h e c o m p o u l l ds y s t 锄s o l v e st h ec 0 l d 锄dh e a ti m b a l 觚c eo fu 1 1 d e 曙o u n dh e a te x c h a n g 既t h e o p e r a t i o ne a e c to fn a ts o l a rc o l l e c t o ri s9 0 0 di i lt l l eh e a t i n gs e a s o no fw h i c hs o l a r 弱s u r 锄c ei s i nm 】l g eo f3 7 4 3 c o l l e c t o re 伍c i e l l c yi si n 啪g eo fo 3 一o 4 5 t h ec o m p o u i l ds y s t 锄i si i l f a v 0 u ro fm a i n t a i n i n gt l l e s t a b i l i t yo ft l l e t u l i t o p e r a t i o np e r f o n n a n c e 、v h i c hh 硒h i 曲 c o e 衔c i e n to fp e b 1 1 1 l a n c ea t4 2 i ts o l v e st l ed e c l i n eo f 罂。o u n dt e m p e r a m r ec a u s e db yt l l e s i n 百eg r o u n ds o u r c eh e a tp u i n po p e r a t i o n t h i ss 0 1 u t i o nh 弱c e r t a i na d v a n t a g e sa n dk e 印 g e o t h e n n a lm a i n t a i n i n gi nt h er e l a t i v e l ys t e a d ys t a t ea ta b o u t14 8 a c c o r d i n gt ot 1 1 ea c t u a l l o c a lc 0 n d i t i o n ，廿1 es t u d yo nt h eh e a tp u m pt e c h n o l o g yc o m b i n e d w i t hs o l a re n e r g yw i l lb eo fp r o f o 硼【d s i 印i 1 e i c 锄c eo fs a v i n g 锄e r g y 锄de i l v ir 0 】m e n t p r o t e c t i o n 1 ( e yw o r d s ：g r o u n d s o u r c eh e a tp u m p ，s o l a re n e 唱y h e a t i n g ，r e 衔g e r a t i o n h l 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 随着国民经济的发展和科技水平的不断提高，节能减排、绿色环保是保障经济可持 续发展的重要举措，这就促使人们努力开发利用各种可再生能源以实现节能环保。近年 来，在我国建筑业稳健发展，建筑能耗在全国能耗中所占的比例逐步增加。有关专家估 算，到2 0 2 0 年，国内建筑能耗有可能达到近1 1 亿标准煤，比2 0 0 0 年翻三番。据统计， 在我国商品能源总耗的2 0 3 0 左右为建筑能耗，伴随着经济不断发展居民生活水平的 不断提高，我国建筑面积不断增加，建筑能耗所占比重将呈增加趋势。我国当前建筑物 能耗的构成比例( 如图1 1 ) 【。 其它，7 一般公八建筑北方城镇建筑 j | j 能，l3 采暖能耗， 3 ( 】 大型公，建筑 用能，8 农村居民生活 用能，2 5 粤9 城镇居民生活 用能， l7 图1 1 中国建筑物能耗构成示意图 依建设部科技司的相关数据统讨，到2 0 2 0 年，中国在建筑节能方面拥有3 8 亿吨标 准煤的潜力( 如图1 2 ) 【2 1 。 艺 2 ： 童 j 。善 一 舌 ： 蠡 - = j _ 量 、， e n e r g ys a r n l gp o r e l 】 i 3 8 0m m i o nt c e s $ 爹擎窜擎爷窜萨擎荸誉誉誉擎誉誉 y i 量r 图1 2 至2 0 2 0 年中国建筑物节能潜力预测 o 9 8 7 6 5 4 s 2 l o 山东建筑大学硕士学位论文 以我国各区域的太阳总辐射量不同为依据，我国被划分为五大类地区( 如图1 3 ) 。 j 霉。皴馘- j褥孵凑擎歉镶骧囊穗籀辔舒， 璇辍鸯参羲。鞫睁孵辩 王l i & j26 ；6 8 05 ，l 矗： 5 8 5 0 一6 6 9 0 45 肆5 1 黄孽5 0 0 05 8 5 038 4 5 筹潮滋。一l ；7 )4 1 0 05 0 0 032 38 擞 f4 2 0 0t32 图1 3 中国太阳能资源分布情况 现代社会低碳、绿色、节能、环保理念倍受推崇，可再生能源的优势地位愈加凸显。 近来，太阳能热效应利用技术、热泵技术等节能措施都取得了较好较快的发展。我国应 充分利用有利的太阳能资源，太阳能作为一种可再生能源，具有取之不尽、用之不竭、 安全、清洁无污染的优点，合理利用太阳能可有效地减少建筑物的能耗、从而起到缓解环 境和能源危机的作用。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 地源热泵系统在国内外的研究现状 1 9 1 2 年，瑞士的h e i 埘c hz o e l l v 最先提出热泵系统以浅层地热作低温热源【3 】。但当 时一次能源充足，因此没有得到广泛利用。直到1 9 4 8 年，由于z o e l l y 的专利中出现地源 热泵节能技术，这项节能技术彳真正引起欧洲和美国社会的广泛关注。 研究和利用地源热泵的第一次高潮于2 0 世纪5 0 年代在欧洲开始，没有得到推广。 2 0 世纪7 0 年代初，由于能源危机和环境问题，人们才开始对地源热泵进行研究和利用， 且在欧洲建立了研究平台。从1 9 7 4 年起，很多国家建立示范工程，地源热泵生产技术也 日趋完善【3 ，4 1 。这时期，该技术并不成熟，尤其是土壤源热泵，而地下热传导体系大多数 采用地下水直接利用方式。7 0 年代后期8 0 年代初，瑞典科学家才开始进行地下开放式 山东建筑大学硕士学位论文 的循环采热系统的研究。 地源热泵在各国能源和环境问题备受关注的大背景下，迎来了另一次发展高潮。此 时瑞士、瑞典和奥地利等国在政府政策的支持和保护下大力推广地源热泵技术，促进了 地源热泵生产和应用范围的进一步扩大。8 0 年代后期，随着一些科学家从地上转为地下 系统的研究，地源热泵技术己经趋于成熟。此时瑞士和瑞典的年使用量增加超过1 0 ， 世界上地源热泵生产和应用呈现逐年上升趋势【5 6 】。 以水源热泵为主要基础，美国的地源热泵得以发展起来。刚开始主要应用于居民住 宅。6 0 年代初，开式热泵系统在美国出现，此系统可用于建筑物的不同区域，而且应用 至今。到8 0 年代初，美国科学家进行了多种形式的地下埋管换热器的研究并在实际中应 用。现在美国所安装的地源热泵主要是闭式环路系统，它可以被有效地应用于任何地方， 此后美国地源热泵产业快速增长，是世界上生产和使用地源热泵的第一大刨7 1 。 日本的一些公用建筑都曾利用地源热泵进行综合性服务，效果颇佳。由于地理位置 的限制，早在1 9 世纪4 0 6 0 年代，许多的地下水源热泵系统就已经被采用了。其实海 水源热泵在同本被应用的比较广泛【8 1 。在同本土壤源热泵系统也将会有发展前途，但是 由于目前技术、费用和政策问题，目前没有得到广泛采用【9 】。 从世界地源热泵应用的情况及世界各国的气候条件来看，研究美国的地源热泵应用 情况对我国地源热泵的发展有着借鉴的意义【1 0 】。 最近几年国内建筑节能及暖通空调界的热门研究领域比较集中于地源热泵，对此方 面的研究始于2 0 世纪8 0 年代。在该领域研究的热点主要集中于地下耦合热泵系统中的 地埋管换热器的传热模型、地下岩土的热物性以及回填材料等：热泵系统所用工质；地 下水热泵系统的地下水换热器换热模型是研究的主要热点。国内学者也在理论和实验方 面初步研究了新兴的热泵复合能源系统】。 土壤源热泵系统又称地下耦合热泵系统，以浅层岩土为冷热源，依据有无水或防冻液 等中问传热介质，可分为直接膨胀式土壤耦合热泵系统和第二环路土壤耦合热泵系统，第 二环路土壤耦合热泵系统运行的较为稳定和可靠，在我国应用的范围比较广，但是直接膨 胀式土壤耦合系统具有制冷剂泄漏、制冷剂充注量大、夏季难以启动和铜管腐蚀等缺点， 现在在国内外还没有广泛推广，现在国内对此系统的丌发和研究很1 2 】。在地下水水源热 泵方面，我国对同井回灌系统研究的较多。地下水地源热泵系统主要使用单井灌溉、异 井抽灌技术，在工程当中应用范围最广、数量最多。土壤源地源热泵在工程中应用潜力 的最大，发展最快。在城市级示范工程中地表水地源热泵系统的单体规模最大【1 3 l 。 3 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 2 太阳能热泵系统在国内外的研究现状 太阳能热水器和太阳能热泵是现阶段国内外对太阳能热效应进行利用的两种主要方 式。低品位能的一部分由太阳能来提供的热泵系统称之为太阳能热泵。 根据热泵蒸发器和太阳能集热器组合形式的不同，可分为非直膨式和直膨式两大类。 目前太阳能热泵的应用形式多采用直膨式( 如图1 4 ) 和非直膨式( 如图1 5 ) 。 d = 二= 一一 器 细管干燥过滤器 仄、 压缩机 夕 图 4 直接膨胀式的太阳能热泵系统 一一飞、_：=二一 毛细管干燥过滤器 蒸发器 人 压缩机 、 ，二 冷凝盘管萎一热水出口 水箱 | 冷水入口 图1 5 非直膨式的太阳能热泵系统 直接膨胀式太阳能热泵系统的研究 1 9 5 5 年s p o m 首次提出直接膨胀式太阳能热泵系统，进而通过实验设备验证了其可 以同时提高热泵机组和太阳集热器性能的优点【1 5 】。 f b g o r o z a b e lc h a n e 采用不同的制冷剂从理论上研究了直接膨胀式太阳能热泵系 统，并进行了没有玻璃盖板和有一层玻璃盖板的集热蒸发器的性能对比分析【1 6 】。 m n a h a w f - a d e r 等研究发现，直接膨胀式热泵系统性能受压缩机转速、太阳辐射强 度、集热器面积和蓄热容量因素影响很大，很有必要保证压缩机转速和集热蒸发器的负 荷两者之间的匹配【1 7 1 引。 c h a t i l r v e d i 等研究了采用裸板式太阳集热器( 兼做热泵蒸发器) 且可调容量的直膨 4 口 口 出 入 水 水k，ln， 热 冷 一 一 一 一5萎一 管盘 箱 糙 椭 蝴 水 山东建筑大学硕士学位论文 式太阳能热泵系统的热力性能；采用了变频压缩机以调整压缩机转速与集热器的蒸发能 力相匹配，此种方式使系统在宽泛的环境条件下运行；在从冬季到夏季室外温度提高的 情况下，通过减小压缩机的转速可以提高系统性能。 天津大学理论上研究证明r 1 3 4 a 在直接膨胀式太阳能热泵系统中的适用性，该系统 可采用不同制冷剂，太阳能集热器的集热效率在7 0 7 8 ，热泵的性能系数可达4 o 6 5 ，但在实际使用中，要考虑与润滑油、密封材料兼容等问题【l 9 1 。 针对直接膨胀式太阳能热泵供热水系统，上海交通大学搭建了实验台，该系统在任 何天气都能生产5 0 的生活热水，日均耗电量1 6 8 k w h ，平均性能系数达到3 1 0 【2 0 1 。同 时，对直接膨胀式太阳能热泵热水器进行了实验样机的研制开发，用o lo o o w m 2 的室 内模拟光源进行照射，热水平均加热功率1 0 4 k w ，性能系数平均值4 1 8 【2 1 2 2 1 。 裴刚提出了一种光伏直接膨胀式太阳能热泵系统，该系统采用直接膨胀式系统的 蒸发器和光伏电池有机结合的方式，形成p v 蒸发器，接收到的一部分太阳能辐射通过 光一热转换作为热泵系统的热源，其余的太阳能辐射通过光电转换形成电流输出【2 3 1 。 问接膨胀式太阳能热泵的研究 在1 9 6 8 1 9 7 0 年，由u z b e k 科学院和协h l ( e n t 科学研究所合作，前苏联进行了太 阳能辅助热泵供热系统的实验研究。研究表明，通过标准热泵和太阳能供热装置联合运 行的方式，可以改善太阳能供热装置的性能和提高热泵的c o p 【2 4 1 。 2 0 世纪8 0 年代初，同本k i t 锄i 理工学院进行了为期5 年的并联和串联并两种太阳 能热泵研究和测试，开发了计算机模拟程序，该程序可用于评价太阳能辅助热泵的热性 能【2 4 1 。 意大利学者j o d a l e n b a c k 和t t j i l a r 进行了季节性储热太阳能热泵集中供热系统的性 能研究，同时建立了可用于计算机分析的该系统的理论模型【2 5 】。 f r e e m a n t l 等人利用t r n s y s 软件较全面的模拟研究了串联式、双热源式和并联 式三种间接膨胀式太阳能热泵系统，得出并联式太阳能热泵系统比串联式和双热源式系 统具有更优越的热性能【2 6 】。 k a m 订k a y g u s u z 比较分析了在整个供热季不同种太阳能热泵系统的热力特性【2 7 1 。 a r i f l l 硎借助计算机仿真理论分析和计算了太阳能吸收式热泵系统的供热性能，得出环境 温度、集热器种类与面积、季节和蓄热水箱的尺寸对系统供热性能都有影响【2 引。 借助热力学理论分析的方法，o m e rc o m a l ( “等学者建立了分离式太阳能热泵系统 模型，蓄热水箱的蓄热材料，蓄热水量的质量以及太阳能集热器的面积对热泵的c o p 5 山东建筑大学硕士学位论文 影响很大，并计算得出：在集热器数目由1 9 组增至2 4 组的情况下，c o p 值最大可提高 3 4 【2 9 1 。 o r e lb a d e s c u 建立了应用于串联式太阳能热泵中的显热蓄热罐模型：小型蓄热设 备可以相同时间内，向热泵蒸发器提供更多的热通量，负荷增大时可快速放热，当蓄热 罐尺寸增大时，热泵的性能系数降低，随之增加了蓄热罐的每月蓄热量和热泵能耗【3 0 1 。 东南大学研究开发了一种双热源型热泵系统，可将太阳能热水器与家用热泵型空调 器相结合运行；在可利用太阳能的情况下，c o p 平均值可被提升到4 2 左右【3 l 】。 天津大学研究了采用真空管集热器的串联式太阳能热泵供热水系统，一年四季运行 可靠，夏季的制冷性能系数达到2 6 1 3 5 0 ，冬季的制热性能系数达到2 6 4 2 8 5 ，并向 用户提供5 0 的生活热水【2 6 1 。 哈尔滨工业大学分析研究了在各种不同运行工况下的太阳能热泵性能，与静态运行 工况相比，动态运行工况下总集热量和集热效率分别提高2 3 1 和2 2 7 0 【3 2 】。 旷玉辉等进行了串联式太阳能热泵的研究，采用平板型太阳能集热器，平均集热效 率6 7 2 ，利用太阳能作为热泵的低温热源制取低温热水；在整个供暖测试期内，未使 用辅助热源，整个系统的平均性能系数为2 1 9 ，热泵平均性能系数2 5 5 【3 3 1 。 徐国英提出一种兼有太阳能、热泵的技术优势的新型太阳能一空气复合能源热泵热 水器，全年各月平均c o p 在3 9 8 4 3 2 ，平均耗电量0 0 0 7 0 0 1 5 k w l l l 【3 4 1 。 杨前明运用热力学，全面分析了新型太阳能热泵多功能复合机系统，可使用其分析 结果优化系统配置，得到更高的性能系数1 3 5 】。 在t r n s y s 软件的应用方面，c h i 弱s o n 和y a z t u r k 采用芝加哥等六座城市的气象 数据，应用b l a s t 负荷结果，最先在t r n s y s 中构建了太阳能土壤源热泵系统得模拟 程序，模拟分析了系统2 0 年的运行性能，对系统的初投资、运行费用、地埋管换热器长 度、土壤温度变化规律和集热器面积的关系等内容进行了研究【3 6 j 。l l a t 等对生活热水 由集热器提供，经由地埋管将多余热量储存于土壤中的1 8 0 m 2 独立民居进行实验研究， 得出热泵在供暖期的c o p 均值为3 7 5 【3 7 1 。k i e l l s s o n 运用t r n s y s 软件程序，以实际工 程为依托，对比了系统在不同运行模式下的运行性能等，得出结论：太阳能土壤源热泵 系统较适于独立民居，在此基础上可结合生活热水系统来使用；以太阳能集热器作为辅 助热源，可使埋管设计长度偏低的地源热泵系统的节能效果较好【3 引。 在太阳能一土壤源复合系统方面，我国的相关研究较少。韩宗伟等通过实验方式研究 了一种太阳能土壤源热泵供暖系统，该系统利用相变蓄热水箱来进行相变蓄热；并对供 6 山东建筑大学硕士学位论文 暖不同时期的运行特性进行分析得出，系统平均供热系数在过渡季可至6 1 3 ，在中期可至 2 9 4 ，节能效果较为明显【3 9 1 。杨卫波等分别数值模拟分析了有、无蓄热水箱的太阳能土壤 源热泵系统联合供暖运行模式；分析得出，有蓄热水箱可在很大程度上改进联合供暖运行 模式的运行效果，提高热泵运行稳定性，改善在夜间运行时的节能效果【4 0 1 。 1 3 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容为： ( 1 ) 运用t r n s y s 软件对办公楼建筑地源热泵系统进行冬、夏季及多年运行工况 的模拟分析； ( 2 ) 对该地源热泵系统冬季运行工况进行实验测试，并与模拟值进行对比分析； ( 3 ) 针对其不足之处，初步设计系统的改进方案，确定太阳能一地源热泵复合系统 流程： ( 4 ) 利用g e n o p t 和t r n s y s 软件对复合系统进行优化匹配和模拟分析，以改进 系统缺陷。 地源热泵系统在全年的实际运行中很多时候会出现地埋管换热器与土壤的冷热换 热量不均衡的现象，长期积累，引起地下土壤或水资源温度的升高或降低从而影响地下 换热器的换热性能，甚至使地源热泵系统失效。对于需热量比较大的建筑，可再生能源 太阳能可作为地下换热器的辅助热源。 实行地源热泵和太阳能的联合运行，在一定程度上可弥补单一热源的不足。因此， 较深入开展太阳能热效应利用技术和热泵系统相结合的理论研究，对于提高热泵的c o p 值和运行稳定性具有较为重要的意义。如果根据当地地理条件，结合热泵技术，在热泵 安装增长的基础上，实现太阳能与热泵综合利用，研究太阳能与地源热泵结合的复合能 源系统，将对社会节能和环保产生较为深远的意义。 7 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章建筑负荷模拟 2 1 建筑概况 该工程为位于济南地区的一办公楼建筑，地上为五层，地下为一层，建筑总高度为 2 0 m ，总建筑面积为5 4 0 0 m 2 。 围护结构的相关参数设定如下： 屋面：8 0 m m 厚挤塑型聚苯板保温，防水层为4 m m 厚s b s 改性沥青卷材防水层， 传热系数为o 3 8 w m 2 k ； 楼面：石灰水泥砂浆与钢筋混凝土，其传热系数为1 2 5w m 2 k ； 门：一楼为玻璃型外门，其它层采用木门作为内门； 外窗：l o w e 无色中空玻璃断桥隔热铝合金窗，厚度为5 + 1 2 + 5 m m ，辐射率s o 2 5 ， 其传热系数为2 4 w m 2 k ，遮阳系数为0 7 ； 外墙：构造为外面2 5 m m 厚聚氨酯装饰保温板+ 2 0 m m 石灰水泥砂浆，中间为3 0 0 n 哪 厚的加气混凝土，里面为2 0 m m 石灰水泥砂浆，其热阻为2 0 4 m 2 l ，综合传热系数 为o 4 9w m 2 k ； 内墙：构造为外面2 0 i 】姗石灰水泥砂浆，中间为2 0 0 m m 厚的加气混凝土，罩面为 2 0 m m 石灰水泥砂浆，其热阻为o 8 m 2 l v ，综合传热系数为1 2 5w m 2 k 。 如表2 1 罗列了围护结构参数。 表2 1 围护结构参数 罔护结构单位性能数据构造描述 外窗整体遮冈i 系数s c 0 7 采用5 + 1 2 + 5辐射率o 2 5l o w e 无色 外窗整体传热系数kw m 2 k 2 4 中空玻璃断桥隔热铝合金窗 外窗面积外墙面积3 0 屋顶的传热系数kw m 2 ko 3 88 0 m m 厚挤甥刑聚苯板保温 外墙的传热系数kw m 2 k0 4 9 2 5 m m 厚聚氮酯装饰保温扳 此办公楼采暖季运行时问为1 1 月1 6 同至次年的3 月15 同，空调季运行时问为6 月1 6 日至9 月1 5 同，每天运行时间为早8 ：o o 1 8 ：o o ，采用济南的气象数据，济南地区 的经度为东经l1 7 5 。，纬度为北纬3 6 6 8 0 。 8 山东建筑大学硕士学位论文 2 2 建筑模拟 2 2 1 气象参数 气象参数数据集“典型气象年”是由8 7 6 0 小时的逐时气象资料( 干球( 湿球) 温度、太阳辐射强度、风速及j x l 向等) 组成的。虽然使用不同的研究细节，但是它们都 采用了相同的原则来组成典型气象年。该原则为“典型气象年”是由最有代表性的1 2 个月份气候状况组成的。在不同的年份选取的月平均值，使气象数据资料具有间断性， 因而需要采用月间平滑处理的方式处理相关数据信息。 目前世界上主要有以下几种方法： ( 1 ) 美国a s h e r e“典型气象年”( t m y - 聊i c a lm e t e o r o l o 舀c 、它a r ) ； ( 2 ) 美国、日本、丹麦、台湾等的试验参考年( t r y - t e s t r e f e r e n c e y e a r ) ； ( 3 ) 美国a s h e r e 的“能盘计算天气年”( 、价呢c w e a t l l e r 、色a ro f e n e r g y c a l c u l a t i o n ) 。 对建筑进行空调系统负荷模拟，所需气象参数主要包括干球温度、湿球温度、相对 湿度等。在t i s y s 中，读取济南的气象数据( 如图2 1 2 5 ) 。 图2 1 济南地区一年内干球温度变化 苫 山东建筑大学硕士学位论文 一e 搬 挺寿盘蔓 图2 2 济南地区一年内湿球温度变化 图2 1 3 济南地区在一年内的相对湿度变化 由图2 1 2 5 可以看出，经由t r n s y s 软件得到的气象参数：济南地区一年内的干 球温度在9 5 3 7 3 范围内变化，：济南地区一年内的湿球温度在1 1 7 2 7 8 范围内变 化：济南地区一年内的相对湿度在7 9 7 范围内变化；济南1 2 个月份的平均干球温度 中只有一月份的平均温度处于0 以下。 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 3 0 2 5 o2 0 魁 明1 5 齿 卜1 0 霸 宴s 0 - 5 图2 4 济南地区一年内含湿量变化 各月平均干球温度 月份 图2 5 济南各月的平均干球温度统计 2 2 2 负荷模拟 采用t r n b u i l d 对建筑进行负荷计算时，建筑负荷模型中包含的信息如表2 2 示。 表2 2 建筑的负荷模型信息 建筑基本信息同护结构信息空调设置信息内部得热量信息人体热舒适性信息 体积 构造制冷殴备信息 人体 总热容量热物性制热设备信息照明 初始温度 围护结构朝向通风设备信息设备 初始湿度面积室外空气渗透信息其他热源 山东建筑大学硕士学位论文 建筑物的负荷大小受很多因素影响，如表2 3 。 表2 3 建筑负荷的主要影响因素 其它设 分外部影响建筑设计 设备运行 备 项 空调系统的分区，室 地理环境：海拔高度，时区，纬 建筑用途：住宅建筑， 内的设计参数，系统 度，经度，绿化，建筑方位公共建筑，商业建筑等 的形式，设备、人员 工作规律 气候环境：空气焓，空气密度， 大气压，室外风速及其方向， 包 建筑体型形状，层数， 照明系统天窗，室内办公设 云态和云量，相对湿度， 含面积 一 照明，开窗位置。数量备，家用 全年逐时的干湿球温度， 内电器 太阳直射和散射辐射强度 容 闱护结构门，窗，外墙，热水系统电加热或 内墙，窗墙比，挑檐燃气加热热水系统 智能控制系统，电 围护结构朝向隔热保温材料，墙材， 梯，电力电气通讯系 面积 外墙粉刷材料， 统 地板，家具， 室内的内外遮舟i 目前建筑能耗模拟软件大多是对整栋建筑的耗能系统作全年运行工况的动态模拟， 其算法主要有反应系数法( r e s p o n s ef a c t o r ) 和热流平衡法( h e a tb a l 卸c e ) ，用于计算全 年8 7 6 0 小时建筑逐时冷热负荷。静态算法，如度同值法( d e g r e ed a y s ) 、箱法( b i n ) 、 负荷频率表法和当量满负荷运行时间法已运用较少，而且随着计算机数据处理能力的增 强，逐渐被计算精度更高更接近实际的动态方法所取代。各种静态及动态算法的分类及 基本原理如表2 4 。 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 表2 4 建筑能耗计算方法汇总1 4 l 】 计算方法基本原理 当日采暖度日数：( h d d ) = t b 玎，建筑物采暖耗能量： 度日法 如2 4 9 箦竽，其中t b 瑾准虢t 当日温度，q s - 采暖 耗能量， f j v 一建筑室内外温差，c d - 修正系数。 首先要知道计算地点室外空气焓、含湿量、干湿球温度在不同室外空 气焓、含湿量、干湿球温度下出现的年频率数( j 】于全年运行的空调 温湿频数 系统) 或期间频率数( 用于季节运行和间歇运行的空调系统) 。根据空调 静法( b i n )系统的全年运行 ：况和上述频率数，计算出不同室外空气状态参数下 态 的加热量、冷却量、加湿晕，然后，累计计算出全年耗能量和期间耗 能量。 当量满负荷运行时间f 脚为全年空调冷负荷( 或热负荷) 的总和 当量满负荷 g f = 卜d 丁( u 口) 与制冷机( 或锅炉) 最人出力( 或) 的比值， 运行时法 即：= 当或r 瑚= ，其中q 为空调逐时冷负荷( 热负荷) 。 qrq b 该方法把墙体和房间分别当做线性的热力系统，利州系统传递函数得 反应系数法出某个单位扰量卜的各种反应系数，再用反应系数米求解传热量和热 负荷【4 引。 动 依据能域守恒定律。如室内空气的热平衡方剧4 3 】： 态 c 鲁= g + q 2 + q 3 + q 4 ，其中，q i 为空气与房间各内表面之间 热流平衡法 的对流换热量、q 2 为空气与人员灯光设备之间的对流换热量、q 3 为 空气与渗透空气热龉交换、q 4 为空气与空调系统之间的热交换。 通过在t r n b u i l d 中建立建筑模型如图2 6 所示，动态逐时模拟建筑全年的冷热负 荷。在图2 6 a 中设置建筑渗透、通j x l 、供热、制冷、内部得热、热舒适度、含湿量以及 墙体和窗户围护结构的详细参数信息；在图2 6 b 中设置建筑所在城市、建筑名称、方向基 本信息；在图2 6 c 中生成建筑负荷数据文件。 山东建筑大学硕士学位论文 ；引强l 露；需| 台唧金铺溺幽逸o7 酶 几觜 盈泌岿圆 图2 6 a t r n b u i l d 界面图 t ；! 雾霉台啊台麟晶渤电山钙a 嚣刁憋搭国圆 m - ：= = = ：i 壁竺型装塞筮盎盏蚍 - uq - l f - u i - 些l 一 些! ! e 二卫 - i - “- l ，h厩浏* 团 ! 一旷 ! r 一m i n 幢i “m 圆 t i m w j 一：j 毫f 一 ! f 一 舻- n _ d 矗i “! j 竺蜊警曼黑f 壁 簟曼 图2 6 b t l 矾b u i l d 界面图 s h a 凼唁山g 柚 图2 6 ct r l 、b u i l d 界面图 1 4 冒 跏 t e m p h t h h e 一“h u 山东建筑大学硕士学位论文 此办公楼采暖季运行时间为1 1 月1 6 日至次年的3 月1 5 日，空调季运行时间为6 月1 6 日至9 月1 5 日，每天运行时间为早8 ：o o 一1 8 ：o o ，模拟得出地埋管换热器全年从土 壤中的累加吸热量比放热量高出2 3 ，此地源热泵系统地下换热器全年的冷热负荷存在 不平衡现象。模拟得到建筑全年逐时的动态负荷值( 如图2 7 ) ，在采用软件进行模拟时 输出的夏季负荷为正值，冬季负荷为负值。在运行时间内夏季最大冷负荷值为3 6 8 k w 冬 季最大热负荷值为3 3 8 4 l 洲。以满足夏季和冬季负荷的最大值为原则，来进行地源热泵 系统的主要设备选型。 图2 7 建筑全年的逐时负荷值( k w ) 2 3 本章小结 本章阐述了位于济南地区一办公楼的建筑概况，并采用t r n s y s 软件中的气象数据 模块读取济南地区的气象数据，在t r n b u i l d 中设定了此办公建筑的相关参数，进而 对该建筑进行了全年运行时段的负荷模拟。在运行时间内夏季最大冷负荷值为3 6 8 k w ，冬 季最大热负荷值为3 3 8 4 k w 。 o 0 0 0 0 0 0 0 0 如 的 加 加 如 山东建筑大学硕士学位论文 3 1 空调系统方案 v 4 第3 章地源热泵空调系统的模拟分析 主况阀门 v 1 v 2v 3v 4 萎茎锲嚣三葜三葬二羹三莽刍 图3 1 空调系统方案流程图 该办公建筑空调系统方案流程图如图3 1 所示，机房主要设备参数( 如表3 1 3 3 ) 。 室外地埋管钻井数为4 5 个，钻孔深度为1 0 0 米，间距为4 5 米。所采用的单u 管为现在 较为常用的聚乙烯( p e ) 管，其管外径为3 2 咖，管内径为2 6 衄，导热系数为0 3 5 矿( 所k ) 。 土壤的导热系数为1 5 3 “m k ) ，热容量为2 0 0 0 m - 的。 表3 1 地源热泵机组性能参数 名义制热量名义功率使用侧水流鼙源侧的水流量 型号( 冷热)( 冷热)( 冷热)( 冷热) k wk wm 3 mm 3 l l g s h p 3 8 0 3 7 27 3 1 2 66 5 6 43 5 2 6 3 8 0 ( h q ) 表3 2 负荷侧水泵性能参数 型号流量扬程转速电机功率 m 3 l l mr m i nk w s b z l 6 5 5 0 13 5 6 52 6 2 9 0 0 7 5 1 6 山东建筑大学硕士学位论文 表3 3 地埋管侧水泵性能参数 型号 流量扬程转速电机功率 m 3 mmi 1 m i n k w s b z l 6 5 5 0 15 03 52 0 52 9 0 05 5 3 2 相关部件的数学模型 由美国w i s c o n s i nm a d i s o n 大学建筑技术和s o l a re n e r g y 实验室共同开发研制的 t r n s y s 软件，在一些欧洲科研院