双源热泵空调系统耦合运行方案的研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 2.73MB 89 页 15积分

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中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .............................................................................................................. 1

1.1 课题提出的背景 ................................................................................................ 1

1.1.1 我国当前的建筑能耗问题 ....................................................................... 1

1.1.2 地源热泵的发展及地下（冷）热堆积问题 .......................................... 2

1.1.3 地源热泵—空气源热泵双源热泵系统的提出 ...................................... 2

1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 3

1.2.1 空气源热泵的国内外研究现状 .............................................................. 3

1.2.2 地源热泵系统的国内外研究现状 .......................................................... 4

1.2.3 复合式地源热泵系统的国内外研究现状 .............................................. 5

1.3 本课题研究的主要内容 .................................................................................... 6

第二章地源热泵与空气源热泵性能的理论比较 ...................................................... 8

2.1 热泵的热力学完善度 ........................................................................................ 8

2.2 空气源热泵与地源热泵的热力学完善度比较 ................................................. 9

2.3 地源热泵及空气源热泵的性能比较 ............................................................... 11

2.3.1 夏季制冷模式下地源热泵与空气源热泵的性能比较 ......................... 11

2.3.2 冬季制热模式下地源热泵与空气源热泵的性能比较 ........................ 12

2.4 地源热泵与空气源热泵性能理论计算的验证 ............................................... 13

2.5 小结 .................................................................................................................. 15

第三章双源热泵系统的设计 ........................................................................................ 16

3.1 建筑物概况 ...................................................................................................... 16

3.2 地源热泵系统的设计 ...................................................................................... 16

3.2.1 地源热泵系统形式的确定 .................................................................... 16

3.2.2 建筑物的空调设计负荷 ........................................................................ 17

3.2.3 建筑物的全年负荷 ................................................................................ 18

3.2.4 热泵机组的选型 .................................................................................. 20

3.2.5 地埋管换热器系统的设计及水泵选型 .............................................. 21

3.3 地源热泵系统土壤吸放热量的不平衡率 ...................................................... 21

3.4 双源热泵系统的设计 ....................................................................................... 22

3.4.1 双源热泵系统的形式 ............................................................................ 22

3.4.2 空气源热泵与地源热泵机组容量的选择 ............................................ 23

3.5 小结 .................................................................................................................. 27

第四章双源热泵系统与地源热泵系统的运行性能模拟 ........................................ 28

4.1 TRNSYS 软件简介 ........................................................................................... 28

4.1.1 地源热泵模块的数学模型 ..................................................................... 28

4.1.2 单U型垂直地埋管换热器模块（Type557a）的数学模型 ................. 31

4.1.3 空气源热泵模块（Type655）的数学模型 ........................................... 36

4.2 地源热泵系统及双源热泵系统的仿真模型 ................................................... 38

4.3 模拟内容 ........................................................................................................... 39

4.4 模拟结果 .......................................................................................................... 41

4.4.1 峰值冷负荷下地源热泵系统与双源热泵系统运行性能的比较 ......... 41

4.4.2 75%冷负荷工况下地源热泵系统与双源热泵系统运行性能的比较 .. 43

4.4.3 50%冷负荷工况下地源热泵系统与双源热泵系统运行性能的比较 .. 46

4.4.4 25%冷负荷工况下地源热泵系统与双源热泵系统运行性能的比较 .. 48

4.5 双源热泵系统的运行方案 .............................................................................. 49

4.5.1 针对于目标建筑物的双源热泵系统耦合运行的方案 ........................ 49

4.5.2 针对于一般建筑物的双源热泵系统耦合运行的方案 ........................ 52

4.6 小结 .................................................................................................................. 52

第五章双源热泵系统运行性能实验及数据分析 ........................................................ 54

5.1 实验平台概况 ................................................................................................... 54

5.1.1 实验系统形式及主要设备 ..................................................................... 54

5.1.2 实验系统控制及数据采集系统 ............................................................. 56

5.2 实验内容 .......................................................................................................... 58

5.3 实验数据分析 .................................................................................................. 59

5.3.1 ＞75%峰值负荷下地源热泵与空气源热泵耦合运行性能实验 ......... 59

5.3.2 50%～75%峰值负荷下地源热泵与空气源热泵耦合运行性能实验 .. 60

5.3.3 25%～50%峰值负荷下地源热泵与空气源热泵耦合运行性能实验 .. 64

5.4 双源热泵系统参数模拟结果与实验结果的比较 .......................................... 67

5.4.1 峰值冷负荷工况下实验结果与模拟结果的对比 ................................. 67

5.4.2 50%冷负荷工况下实验结果与模拟结果的对比 .................................. 68

5.5 小结 .................................................................................................................. 71

第六章双源热泵系统的综合性能分析 ........................................................................ 72

6.1 热泵系统的动态经济性分析方法 ................................................................... 72

6.2 四种热泵系统经济性能的比较 ....................................................................... 73

6.2.1 双源热泵系统与地源热泵系统的经济性能比较 ................................. 73

6.2.2 双源热泵系统与空气源热泵系统的经济性能比较 ............................. 74

6.2.3 双源热泵系统与冷却塔式复合地源热泵系统的经济性能比较 ......... 75

6.3 四种空调系统的综合性能分析 ....................................................................... 77

第七章结论与展望 ........................................................................................................ 79

7.1 结论 ................................................................................................................... 79

7.2 展望 ................................................................................................................... 80

参考文献 ........................................................................................................................ 81

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 84

致谢 ................................................................................................................................ 85

摘要

地源热泵具有节能、高效、环保等优点，近年来越来越受到人们的青睐。本

课题从维持土壤热平衡、降低系统初投资、提高系统的运行效率以及简化系统形

式、增强系统的可控性等角度出发，设计出一套地源热泵与空气源热泵相结合的

双源热泵系统。

首先，选取上海地区某厂房作为目标建筑物，通过分析该建筑物的全年动态

负荷特性得出，若采用单纯的地源热泵系统作为其中央空调系统的冷热源，土壤

吸放热量的不平衡率约为 44.17%。为维持土壤的热平衡，并从简化系统形式、增

强系统可控性等角度出发，提出夏季采用空气源热泵分担部分供冷量的解决措施，

设计了地源热泵与空气源热泵相结合的双源热泵系统。从降低系统初投资的角度

出发，确定了双源热泵系统的全年运行方案，即：夏季空气源热泵始终运行，随

着温度的降低逐渐减小地源热泵承担的供冷量；冬季只采用地源热泵为建筑物提

供热量，并据此进一步确定了地源热泵及空气源热泵机组的容量。

对双源热泵系统在夏季不同工况下的运行性能进行模拟以及实验分析，得到

目标建筑物在不同冷负荷条件下的系统最优运行模式。综合考虑双源热泵系统的

运行效率及土壤热平衡两方面因素，将机组容量确定时所定的双源热泵系统的夏

季运行方案进行适当调整，得出较合理的运行方案：即地源热泵机组与空气源热

泵机组始终维持耦合运行的方式，当室外的日平均干球温度高于 32.5℃时应采用

空气源热泵优先卸载容量的策略，当室外的日平均干球温度低于 32.5℃时应采用

地源热泵优先卸载容量的策略。

比较双源热泵系统、地源热泵系统、空气源热泵系统、冷却塔式复合地源热

泵系统之间的综合性能，得出双源热泵系统的经济性能较好，系统可靠、结构简

单，具有良好的持续性，调节可控性强。

关键词：地源热泵地下热堆积空气源热泵双源热泵系统

运行方案

ABSTRACT

The ground-source heat pump has many advantages such as energy-saving, high

efficiency, environmental protection and so on, and in recent years it, the

ground-source heat pump more and more gets the favor of people. In order to keep the

thermal balance of soil , reduce the equipment investment, improve system efficiency ,

simplify the system form and enhance the controllability of system, a dual-source heat

pump system which the ground-source heat pump combined with air-source heat

pump was designed in this paper.

First, select a workshop in Shanghai area as target, through the analysis of annual

variable load characteristic of the building, come to a conclusion that, if using the

mere ground-source heat pump system as the heat and cold sources of the air

conditioning system, the lopsided ratio between the heat absorption and release of soil

is about 44.17%. In order to keep the thermal balance of soil as well as reduce the

equipment investment and improve system efficiency, the solution that using

air-source heat pump in summer to undertake part of cooling load was put forward.

And according to this solution, a dual-source heat pump system was designed In order

to reduce the equipment investment, the operation scheme of the dual-source heat

pump system was determined: the air source hot pump always run in summer, as

temperature decreased, the ground- source heat pump load decreased; in winter, only

the ground- source heat pump operate. And according to the scheme, the capacity of

heat pumps was determined.

Simulate the performance of the dual-source heat pump system and analyze in

experiment in order to get the optimal operation mode in different loading conditions.

According to the conclusions and on the basis of thermal balance of soil and high

efficiency of the systems, make a plan that: in summer, the ground-source heat pump

units and air source heat pump unit always maintain a coupling operation way. If the

dry-bulb temperature of outdoor air is more than 32.5 ℃, the air source heat pump

has priority to adjust its loads; If the dry-bulb temperature of outdoor air less than

32.5℃, the ground-source heat pump has priority to adjust its loads .

Compare the dual-source heat pump system with the ground-source heat pump

system, the air source heat pump system and the cooling tower hybrid ground-source

heat pump system, the dual-source heat pump system has better economic

performance, simple structure, good continuity as well as better controllability.

Key Word ：ground-source heat pump ，air source heat

pump ,geothermal accumulation of ground-source heat pump system,

dual source heat pump system, operation scheme

第一章绪论

1.1 课题提出的背景

环境污染和能源短缺是目前威胁人类生存的重大社会问题。如何在经济发展

的过程中减少对环境的污染、优化能源结构是目前世界各国共同关注的焦点。

1.1.1 我国当前的建筑能耗问题

近20 年来，伴随着城市化进程的不断加快，我国城市建设出现了前所未有的

热潮，数据调查显示，如图 1-1，预计到 2020 年，我国的城镇建筑面积将会是 2000

年我国建筑面积的四倍。伴随着建筑面积的增长，建筑能耗在我国能源总消耗中

图 1-1 近年来我国建筑面积的变化

所占的比例也越来越高。据统计，截至 2008 年，建筑能耗已占我国能源总消费的

27.6%。并且，这一比例仍将继续随着建筑面积的增长而增长。而在建筑能耗中，

暖通空调系统与生活热水系统所消耗的比例接近 60%[1]。因此，降低建筑物中暖通

空调与生活热水系统的能耗对缓解环境污染与能源短缺具有至关重要的意义。地

源热泵系统相较于其他常规的空调系统而言，一方面具有较高的能效比；另一方

面由于土壤热能作为一种可再生能源替代其他的常规能源，可以缓解能源紧张的

问题；此外，地源热泵系统同样也可以提供生活热水。因此，在我国，采用地源

热泵系统为建筑物提供空调及热水需求是有效降低建筑能耗的措施之一。

100

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200

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2000 2004 2007 2020

建筑面积（亿平方米）

年份

建筑面积（亿平方米）

双源热泵系统运行方案的研究

1.1.2 地源热泵的发展及地下（冷）热堆积问题

国内对于地源热泵的研究、应用虽然起步较晚，但发展却相当迅速。根据建

设部公布的信息：截至 2006 底，地源热泵技术应用建筑面积为 2650 万m2；截至

2007 年底，地源热泵技术应用建筑面积已接近 8000 万m2；截至 2009 年底，地源

热泵的应用建筑面积已达 1.39 亿m2，预计到 2020 年，我国的地源热泵市场规模

将比目前增长 5～8倍。虽然地源热泵近些年来发展势头良好，但在目前中国建设

的地源热泵项目中，一些地区对已建工程的冷热均衡研究及其对环境的影响缺乏

监控，造成地源热泵工程不能长期有效运行，其中最典型的问题是地源热泵地下

（冷）热堆积问题[2]。

对于建筑物冬夏冷热荷差别较大的地区，地源热泵向岩土体吸收和排放的热

量存在着较大的差异。如果夏季供冷时空调系统向地下排放的热量大于冬季采暖

时地源热泵系统从地下吸收的热量，那么，地源热泵系统长期运行的结果必然会

导致岩土体的温度越来越高，使得夏季运行时地源热泵系统运行的效率越来越低，

最终导致夏季地源热泵系统不能正常运行；反之，如果地源热泵系统冬季从地下

汲取的热量大于夏季向地下排放的热量，那么，地源热泵长期运行的结果必然会

导致岩土体的温度越来越低，使得冬季地源热泵系统运行的效率越来越低，最终

导致冬季地源热泵系统不能正常运行。

地源热泵系统岩土体夏冬季热量收支不均衡在我国长江中下游地区及华南地

区主要表现为夏季向土壤释放的热量要远远大于冬季从土壤中汲取的热量，这主

要是由两方面原因造成的：一方面供冷季的持续时间及负荷强度要大于供暖季的

持续时间及负荷强度；另一方面，夏季地源热泵系统向土壤释放的热量等于系统

向建筑物提供的冷量加上热泵及水泵等的轴功率，而冬季从土壤中汲取的热量等

于系统向建筑物提供的热量减去热泵及水泵等的轴功率。以武汉地区为例，当地

埋管系统排热取热的不平衡率为 45.8%时，系统运行 5年后，当地岩土体的总温升

达到 9.8 ℃，难以保障夏季地源热泵系统的稳定运行[3]。所以，如何采用辅助措施，

减小土壤吸放热量的不平衡率，维持地源热泵系统长期高效的运行，成为近 50 年

来各国学者研究的焦点。

1.1.3 地源热泵—空气源热泵双源热泵系统的提出

复合式地源热泵系统能够有效的解决地源热泵系统土壤热（冷）堆积的问题，

提高系统的运行效率。但现阶段的复合式地源热泵系统主要是通过增加辅助散热

第一章绪论

装置（或锅炉等辅助加热装置）实现维持土壤热平衡的目的。但这些辅助装置的

增加会引起相应的循环、动力设备的增加，系统比较复杂，且整个系统的运行特

性也有了很大的改变。针对这种情况，在维持地源热泵系统土壤热平衡的前提下，

从简化系统、减少初投资及运行费用等方面考虑，采用地源热泵联合其他类型热

泵共同承担建筑物空调需求的策略。

一方面，小型空气源热泵的研发、应用在国内相对而言是比较成熟的，另一

方面，本课题所选取的目标建筑物位于上海地区，上海地区属于亚热带季风气候，

温和湿润，根据中国气象局的统计数据，1978～2010 年以来，上海地区 7月（最

热月）平均气温在 27.2～27.9℃，1月（最冷月）平均气温在 3.4～4.3℃左右，这

种气候条件是十分有利于空气源热泵运行的。

综合考虑各方面因素，最终选取地源热泵与空气源热泵相结合的双源热泵系

统作为本课题的研究对象。

1.2 国内外研究现状

由于热泵能够较好的利用低品位的能量，随着能源危机和全球变暖的环境压

力日益加剧，热泵技术成为了各国关注的焦点，对各类热泵技术的研究、应用和

推广也上升到了一个前所未有的的高度。尽管不同国家由于实际情况不同，以至

所关注的焦点不同，但总体来说地源热泵和空气源热泵的高效应用仍是各国关注

的目标，也是未来热泵技术研究的重要方向之一[4]。故下面重点介绍目前国内外对

于空气源热泵及地源热泵的研究现状。

1.2.1 空气源热泵的国内外研究现状

空气源热泵由于其系统简单，初投资较少，是目前应用最广泛的的热泵种类

之一。但由于空气源热泵夏季（冬季）是将空气作为高温冷源（低温热源），这

就出现当负荷达到最大需求时，机组却恰好处于最不利的运行环境中。尤其在严

寒地区，冬季机组运行时，除霜会增加大量的能耗。因此，空气源热泵适用于冬

季气候比较温和的地区。所以，在我国，空气源热泵在长江中下游地区和华南地

区得到了广泛的应用。目前，国内外针对空气源热泵的研究主要集中在空气源热

泵在低温环境中的应用、除霜以及如何提高其能效比这三个方面。

国内，哈尔滨工业大学的马最良以及中原工学院的周光辉等人从机组冷热源

的角度对空气源-地源复合热泵进行了研究，改善了空气源热泵在冬季极端天气下

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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论..............................................................................................................11.1课题提出的背景................................................................................................11.1.1我国当前的建筑能耗问题..................................................

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