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大连地区太阳能—土壤源热泵系统匹配特性研究

作　者: 李双双
导　师: 端木琳
学　校: 大连理工大学
专　业: 供热、供燃气、通风及空调工程
关键词: 太阳能-土壤源热泵控制策略模拟匹配关系系统选型
分类号: TU18
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着环境的恶化和全球性能源危机的加剧,环保和节能已经成为世界各国发展的主题,可再生能源和无污染的新能源的开发利用与节能减排受到了广泛的重视。太阳能-土壤源热泵联合供暖(制冷)系统是一种用可再生能源的环保、高效节能的系统。太阳能与土壤源热泵联合供暖可以相互取长补短,发挥各自的优势,弥补单一热源的不足,提高采暖系统的性能。一方面,土壤具有蓄热、延时性和稳定性的特点,可以在太阳能不足时使用。另一方面,由于太阳能的供热作用,可使得地下换热器间歇运行,土壤的温度场能够及时得到恢复,热泵的冷凝温度和蒸发温度波动不大,从而保证热泵的稳定运行。本文针对太阳能-土壤源热泵的供热特点,提出了房间温度控制与水箱温度控制2种不同的运行策略。以典型别墅建筑为研究对象,在大连典型气象年天气参数基础之上,以满足建筑热负荷为目标,在TRNSYS软件上建立了太阳能-土壤源热泵系统联合并联供暖的数学模型。利用太阳能热水系统实验台对TRNSYS软件中真空管集热器模块数学模型进行了验证。根据模拟结果分析对比了2种控制策略的优劣,以房间温度控制土壤源热泵的控制策略,系统有更低的能耗,能最大限度的减少土壤源热泵的运行时间。以水箱温度控制土壤源热泵的控制策略,系统拥有更灵活的蓄热量调节范围,设备选型更小。由于房间温度控制的运行方式能耗较低,所以以该运行方式为基础就系统集热器面积、水箱容积、土壤源热泵能力的匹配进行了影响程度分析。结果显示,当系统中组件承担负荷比例相对较小时,调节水箱容积对系统运行COP影响最大。反之当组件承担相对较大的负荷比例时,改变集热器面积对系统运行COP影响最大。为了找到太阳能-土壤源热泵系统主要部件之间的匹配关系来更好的指导该系统的设计和应用,本文选择了一栋具有代表性的65%节能建筑作为模拟对象。首先对建筑的负荷情况进行了模拟分析,以满足采暖要求为判断条件,对房间温度控制和水箱温度控制两种控制策略可能产生的组合进行了模拟,得到系统在2种不同的控制策略下集热器面积、水箱体积和热泵制热量之间的匹配关系曲线。分析了曲线的形成原因和对系统选型的影响。以系统组成为基础,将热源分类为固定热源和可变热源两部分,系统的选型和控制策略的选择最终目标是在两者之间获得平衡。对于一栋建筑的采暖系统选型是先根据限定条件,如可用面积,初投资,希望达到的COP,确定一个组件(集热器、土壤源热泵、蓄热水箱)的型号,根据文中提出的方法,计算热负荷,计算固定得热量和可变得热量,选择运行策略,然后按照文中的选型曲线对系统其他组件进行选型即可。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 课题研究背景和意义  10-12
  1.2 课题研究现状  12-16
    1.2.1 太阳能供暖系统的发展  12-14
    1.2.2 太阳能-土壤源热泵的发展  14-16
  1.3 本学位论文主要研究内容  16-18
2 太阳能-土壤源热泵系统设计  18-23
  2.1 太阳能-土壤源热泵系统形式  18-19
  2.2 太阳能-土壤源热泵运行策略设计  19-22
    2.2.1 采暖侧控制  20
    2.2.2 热源侧太阳能集热器控制  20-21
    2.2.3 热源侧土壤源热泵开启控制  21-22
  2.3 本章小结  22-23
3 太阳能-土壤源热泵并联供暖系统建模  23-39
  3.1 软件介绍  23-24
    3.1.1 软件简介  23-24
    3.1.2 本课题采用模块  24
  3.2 主要模块介绍  24-32
    3.2.1 热泵组件  24-27
    3.2.2 地埋管换热器  27-28
    3.2.3 水箱  28-29
    3.2.4 真空管集热器  29-31
    3.2.5 水泵  31
    3.2.6 建筑  31
    3.2.7 天气参数  31
    3.2.8 控制组件  31-32
  3.3 集热器模型的实验验证  32-38
    3.3.1 实验方法  32
    3.3.2 实验设备  32-34
    3.3.3 模拟方法  34-35
    3.3.4 实验结果  35-37
    3.3.5 结果分析  37-38
  3.4 本章小结  38-39
4 主要组件对系统影响程度分析  39-53
  4.1 模拟建筑简介与负荷计算  39-41
    4.1.1 建筑简介  39-40
    4.1.2 负荷计算  40-41
  4.2 不同控制方案对比  41-46
    4.2.1 模拟系统选型及连接  41-44
    4.2.2 模拟运算结果及分析  44-46
  4.3 敏感性分析  46-52
    4.3.1 分析方法简介  46-48
    4.3.2 结果与分析  48-52
  4.4 本章小结  52-53
5 太阳能-土壤源热泵组件设计与选型  53-78
  5.1 设计与选型方法  53
    5.1.1 设计选型研究方法  53
    5.1.2 代表性建筑选择  53
  5.2 代表性建筑简介  53-56
    5.2.1 建筑围护结构简介  54-55
    5.2.2 采暖系统形式与流量计算  55
    5.2.3 建筑负荷计算  55-56
  5.3 组件选择与模拟要点  56-59
    5.3.1 土壤源热泵选择  56-57
    5.3.2 集热器与水箱设计  57
    5.3.3 模拟系统图  57-58
    5.3.4 模拟要点  58-59
  5.4 房间温度控制模拟结果  59-65
  5.5 水箱温度控制  65-66
    5.5.1 模拟系统图  65-66
    5.5.2 模拟要点  66
  5.6 水箱温度控制结果  66-70
  5.7 两种控制方案对比  70-76
  5.8 选型建议  76-77
  5.9 本章小结  77-78
结论  78-80
参考文献  80-83
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  83
攻读硕士学位期间参加的科研项目  83-84
致谢  84-85

大连地区太阳能—土壤源热泵系统匹配特性研究

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