太阳能—地源热泵组合系统地温控制策略研究

发布时间：2020-07-09 07:14

【摘要】：开展多种能源的联合使用进行优势互补,是可再生能源利用方式的发展趋势,利用太阳能-地源热泵组合供能系统是实现节能减排的有效模式之一。地埋管地源热泵系统把地下土壤作为取热和排热的场所,其温度场直接影响机组的能耗和系统性能指标,甚至影响到系统的成败。地源热泵系统设计与实际运行往往存在很大差异。本文以实际运行的太阳能-地源热泵组合系统(HSGSHPS)为研究对象,通过分析建筑能耗在线监测数据,得出系统在2012.5-2016.3期间的运行规律,为后续系统的运行提出不同的优化思路:地源热泵子系统(GSHPS)运行参数调节、太阳能辅助地源热泵子系统(SAGSHPS)辅助运行优化及SAGSHPS直供参数调节等。HSGSHPS地温控制策略的研究采用试验测试和数值模拟相结合的方法完成。试验测试过程在2015年供冷季和供热季完成,初步得出了地温控制的运行策略:(1)在满足室内负荷的前提下,在供热工况时,合理降低热泵设定温度或水泵频率,减小取热量,减缓地温的下降速率;供冷工况时,合理提高制冷设定温度或降低水泵频率,减少排热量,抑制地温的上升速率,均使得GSHPS的性能系数提高。(2)采用“间歇运行,辅助补充”的措施,随着SAGSHPS辅助运行时长的增加,HSGSHPS的性能系数增大。(3)在室外环境条件较好时,合理降低集热器的启动温差或直供的启动温度,提高直供时间占比,使土壤温度得到及时恢复,有利于SAGSHPS性能系数的提高。基于TRNSYS软件建立HSGSHPS仿真模型,根据试验数据对模型进行了修正及验证。使得GSHPS和SAGSHPS两个子系统的模拟运行结果与试验运行结果的相对误差在10%以内。在校验正确的模型下给定不同系统运行参数及运行模式进行仿真模拟,通过分析模拟结果并结合试验阶段的初步变化规律,确定了HSGSHPS在不同供能阶段的地温控制策略。HSGSHPS控制策略及正常模式进行长期运行模拟预测,结果表明:在HSGSHPS组合控制策略下,地埋管换热管群(BHE)温度变化平稳,从第1年土壤温度为15.1℃,运行10年后土壤温度仅上升到15.8℃,保证了BHE温度的平衡;同时也解决了SAGSHPS在非供热季末期由于地温接近储热饱和温度而造成的储热效率过低的问题。
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK511;TK521
【图文】：

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图 1.1 技术路线图本课题研究内容具体如下：（1）太阳能-地源热泵组合系统的地温的试验与分析1）微观上：运行参数的调节文中分析了 GSHPS 供热季、供冷季在满足室内热负荷（冷负荷）的前提下，单变量调节机组设定温度或水泵频率，初步得到变动运行参数下对于纯地源热泵土壤影响规律以及 GSHPS 性能的变化，如供热量、耗电量、供热功率、耗电功率、系统 COP 等变化；分析了 SAGSHPS 供热季、非供热季的运行参数的变化，其中重点分析了供热季直供参数的调节，单变量调节集热启动温差或直供启停温差，初步得到变动运行参数下对太阳能辅助地源热泵系统的土壤温度的影响规律及 SAGSHPS 性能变化，如集热器瞬时集热效率、集热效率、系统 COP 等变化。2）宏观上：运行模式的切换文中采取 SAGSHPS 辅助运行优化措施—“间歇运行-辅助补充”的运行模式，

立面图,立面图

第二章太阳能-地源热泵组合系统介绍及运行现状2.1 节能实验中心概况节能实验中心是河北工业大学能源与环境工程学院的实验及办公建筑，实验室面积 3850m2，办公建筑面积 1350 m2，建筑共地上四层、高度 22.7m，朝向为南北向偏东 21°。“节能实验中心”采用多能源供能系统，包括太阳能被动利用（呼吸式幕墙）、自然通风和自然采光（屋顶天窗）、太阳能主动利用（真空管集热器）、地源热泵供热空调等，具体如图 2.1 所示。屋顶布置太阳能真空管集热器可以实现太阳能的跨季节储热供热和热水供应；南侧为呼吸式玻璃幕墙，通过合理组织内外窗开启比例，实现冬季和过渡季太阳能热利用及夏季太阳能强化自然通风，改善建筑维护结构的性能，节约建筑供热通风空调能耗；屋顶采用天窗且二至四层采用中庭设计，可以有效地利用自然采光和自然通风技术。

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可以有效地利用自然采光和自然通风技术。a）南立面 b）北立面图 2.1 节能楼立面图2.2 太阳能-地源热泵组合系统介绍2.2.1 系统设计天津属于北方寒冷地区，其全年的冬季热负荷要远大于夏季冷负荷，因此单年取热量大于排热量，如果单独的采用地源热泵系统长期运行必然导致地温逐年降低，真空管集热器呼吸式玻璃幕墙屋顶天窗地埋管群

【参考文献】