太阳能—地源热泵复合能量系统在建筑节能中的应用研究

【摘要】：为了提高可再生资源的利用率,提升地源热泵系统的性能,提出了多种太阳能—地源热泵复合能量系统。本文基于济南某办公楼的建筑模型对多种太阳能地源热泵复合能量系统进行仿真分析,讨论了不同形式的设备参数、运行模式以及节能效果。通过对山东省济南某办公楼采用TRNSYS平台进行建模和仿真,分析得出冬季最大热负荷341.6Kw,夏季最大冷负荷为425.94Kw。对不同运行时间的相同系统进行仿真对比,发现间歇运行系统比全天运行系统的设计负荷指标要大20-30%左右。针对该建筑进行单一地源热泵系统的设计,对]fRNSYS中各相关部件的数学模型进行了验证分析。对该系统8760小时的逐时仿真的数据进行了分析,通过分析地埋管侧回水的温度判断地埋管数量是否满足系统需要,计算出该机组冬季COP维持在4左右,夏季在6-7.5之间,全年系统的能效比为3.23。对太阳能系统中各部件数学模型进行了理论分析,确定了太阳能集热器的连接方式、面积、水箱容量、水泵参数并对集热器倾角和方位角采用Hooke-Jeeves算法进行优化计算,济南地区冬季日间优化后的倾角为55.0625。,方位角为2.125°。在此基础上对太阳能地源热泵复合系统的两种串联形式进行了设计和研究。通过仿真计算：先集热器后地埋管的串联方式的全年能效比为3.23,比单一地源热泵系统提升2.84%；先地埋管后集热器的串联形式的全年能效比为3.335,比第一种串联形式提高了0.439%。分析发现当室外天气较好时,太阳能产生的热水回灌到土壤中,而天气较差时太阳能产生的热水温度较低,因此对系统性能的提升存在一定的不足。基于串联模式的不足,对太阳能地源热泵复合交替系统进行了理论分析,确定了太阳能系统中水泵启停的控制参数与逻辑,对交替控制点进行了分析,搭建了交替系统的TRNSYS模型,通过优化计算得出当水箱为50m3,集热器的面积为550m3时,系统的性能较好,交替系统的全年能效比为3.89,比单一地源热泵系统节能20.43%,分析表明较串联系统而言复合交替系统的能效比更高。复合交替系统连续运行十年地温升高10℃,在过渡季节通过冷却塔与地埋管进行连接运行可以使地温维持在14-18℃的区间内波动。通过理论分析与系统仿真,对该系统在实际工程中的应用有一定参考。 【关键词】：地源热泵 太阳能 串联系统 复合交替系统
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU83;TK519
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.3 本文的主要工作14-15
• 第二章 建筑负荷模拟与验证15-22
• 2.1 概况15-16
• 2.1.1 建筑概况15
• 2.1.2 建筑负荷模拟软件简介15-16
• 2.2 建筑负荷模拟16-19
• 2.2.1 气象参数16-17
• 2.2.2 建筑模型的搭建与负荷模拟17-18
• 2.2.3 负荷模拟值的验证18-19
• 2.3 空调开启时间对建筑设计负荷的影响19-21
• 2.4 本章小结21-22
• 第三章 单一地源热泵系统的仿真与分析22-36
• 3.1 单一地源热泵系统简介22
• 3.2 各部件数学模型简介22-29
• 3.2.1 地埋管换热器的数学模型24-26
• 3.2.2 热泵机组的数学模型26-27
• 3.2.3 水泵的数学模型27-28
• 3.2.4 温差控制器的数学模型28-29
• 3.3 单一地源热泵系统仿真与分析29-35
• 3.3.1 各部件的相关参数29-31
• 3.3.2 搭建TRNSYS仿真平台31-32
• 3.3.3 仿真数据与分析32-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第四章 太阳能系统的设计方法36-44
• 4.1 平板太阳能集热器简介36
• 4.2 平板太阳能集热器理论分析36-37
• 4.3 平板太阳能集热器相关参数确定方法37-39
• 4.3.1 太阳能集热器位置的确定37-38
• 4.3.2 太阳能集热器的连接38
• 4.3.3 集热系统面积的确定38
• 4.3.4 集热系统的流量确定38
• 4.3.5 水箱容积的计算38-39
• 4.4 济南地区集热器倾角与方位角的优化39-42
• 4.4.1 优化方法39-40
• 4.4.2 集热器倾角与方位角的优化计算40-42
• 4.5 本章小结42-44
• 第五章 太阳能-地源热泵复合能量系统的搭建与分析44-57
• 5.1 复合系统模式44-45
• 5.1.1 复合系统连接模式44-45
• 5.1.2 复合系统运行模式45
• 5.2 两种串联模式的仿真与分析45-50
• 5.2.1 复合系统源侧参数初始设计45
• 5.2.2 串联一系统仿真平台的搭建与分析45-48
• 5.2.3 串联二系统仿真平台的搭建与分析48-49
• 5.2.4 两种串联模式分析结论49-50
• 5.3 太阳能地源热泵复合交替系统50-53
• 5.3.1 复合交替系统的形式50
• 5.3.2 复合交替系统控制点参数的确定50-51
• 5.3.3 复合交替系统仿真平台的搭建与分析51-52
• 5.3.4 复合交替系统关键参数的确定52
• 5.3.5 优化后复合交替系统的性能52-53
• 5.4 太阳能地源热泵复合交替系统中地温问题的解决53-56
• 5.4.1 复合交替系统中地温问题的分析53-54
• 5.4.2 复合交替系统中地温问题的优化54-55
• 5.4.3 优化后系统仿真的结果分析55-56
• 5.5 本章小结56-57
• 第六章 结论与展望57-59
• 6.1 结论57-58
• 6.2 展望58-59
• 参考文献59-62
• 致谢62-63
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况63

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