夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统运行策略的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 4.32MB 74 页 15积分

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摘要

随着我国经济发展和人民生活水平的提高，夏热冬冷地区的建筑供暖需求问

题日益显著。地源热泵系统与传统供暖系统相比，可实现能源、经济和环境的协调

发展，符合能源可持续发展战略。然而，在南方地区单一地使用地源热泵会造成地

下热堆积问题，因此复合式地源热泵应运而生。现阶段的复合式地源热泵系统主要

是通过增加辅助散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。针对这种情况，考虑到空气源

热泵在夏热冬冷地区的成熟应用，在维持地源热泵系统土壤热平衡的前提下，本课

题将介绍一种新型的地源与空气源热泵联合运行空调系统在夏热冬冷地区（以上

海地区为例）的应用，并对其运行控制策略展开研究。

本文首先阐述了满足夏热冬冷地区冬季采暖需求的地源与空气源热泵联合空

调系统的设计方法，即按照冬季最大热负荷选取地源热泵机组容量，空气源热泵机

组容量按照夏季最大冷负荷与地源热泵所能提供的制冷量差额选取。随后，介绍了

目标建筑的地源与空气源热泵联合空调系统的实验台并对目标系统在冬夏季的运

行进行了实测分析，得出系统模糊控制策略，即在空气源热泵夏季制冷优先运行的

前提下，以合理的方式或条件将制冷系统优先次序切换为地源热泵优先运行，这样

不但有利于维持土壤的热平衡，而且有利于提升系统即时运行能效。

最后通过基于 TRNSYS 的地源与空气源热泵联合空调系统仿真模型的构建，

对夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统进行 10 年运行的仿真模拟。在不

同控制策略（时间控制、温度控制、温差控制）设定值下对仿真模型进行模拟，并

分析系统年平均能耗以及 10 年末土壤的温度两个重要参数，得出各类控制策略的

最优设定值，为实际工程应用提供了运行控制方法和指导。

关键词：地源热泵空气源热泵夏热冬冷地区运行控制策略

ABSTRACT

With the improvements of economic development and people’s living standard, the

requirements for heating in hot summer and cold winter zone are more and more urgent.

Compared with the conventional heating systems, ground source heat pump (GSHP)

system is far more energy-efficient, economical and environmental-friendly. However,

the only application of GSHP in southern region of China may cause the problem of heat

accumulation underground, which led to the emergency of hybrid ground source heat

pump system. To maintain the balance of soil, devices used to dissipate some heat are

needed in the current hybrid ground source heat pump system, but extra pumps and

corresponding loops will be increased at the same time, which may make the system a

little more complex. Considering the extensive use of air source heat pump in hot summer

and cold winter zone, a new air-conditioning system which combine the GSHP and ASHP

will be introduced in this thesis, what’s more, the operation control strategies will also be

studied.

To begin with, the design method of the new combining ground source and air source

heat pump air-conditioning system in hot summer and cold winter zone will be presented,

which is choosing the type of ground source heat pump according to the maximum

heating load in winter, and choosing the type of air source heat pump on the basis of the

volume difference between the maximum cooling load in summer and the GSHP’s

cooling ability. Then, the experiments on the operation of the new system will be done in

both summer and winter. After analyzing the experimental results, a fuzzy control strategy

is concluded, which is the air source heat pump takes priority of running in most of

cooling time unless under some special conditions, and in those conditions the ground

source heat pump will take the priority of undertaking the cooling load. In this way, not

only is it beneficial to the heating balance of the soil, but also it will enhance the

systematical efficiency.

At last, on the basis of simulation software—TRNSYS, a combining GSHP and

ASHP air-conditioning simulation system will be created and then simulated under

different control strategies, including time control strategy, temperature control strategy

and differential temperature control strategy for ten years. After simulating and analyzing

the two significant parameters: system annual energy consumption and the soil

temperature at the end of the 10th year, we can get the optimal value of each type of

control strategy, which I think will provide guidance for practical engineering.

Key Words: Ground source heat pump, Air source heat pump, Hot

summer and cold winter zone, Operation control strategy

中文摘要

ABSTRACT

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

1.1 研究背景 ...................................................... 1

1.1.1 夏热冬冷地区住宅对供暖的诉求 ............................... 1

1.1.2 热泵技术在夏热冬冷地区的应用 ............................... 2

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

1.2.1 地源热泵技术的研究现状 ..................................... 3

1.2.2 复合式地源热泵系统研究现状 ................................. 5

1.2.3 复合式地源热泵系统运行策略的研究现状 ....................... 7

1.3 本课题研究内容 ................................................ 8

第二章夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统的设计研究 ......... 10

2.1 夏热冬冷地区的气候特点 ....................................... 10

2.2 目标建筑物的负荷特性分析 ..................................... 11

2.3 目标地源与空气源热泵联合空调系统的形式及其设计方法的研究 ..... 13

2.3.1 目标地源与空气源热泵联合空调系统的应用形式 ................ 13

2.3.2 目标地源与空气源热泵联合空调系统的设计方法 ................ 15

2.4 本章小结 ..................................................... 16

第三章地源与空气源热泵联合空调系统的运行性能实测及运行策略分析 .... 17

3.1 地源与空气源热泵联合空调系统的实验平台介绍 ................... 17

3.2 地源与空气源热泵联合空调系统夏季制冷运行工况的实测分析 ....... 20

3.3 地源与空气源热泵联合空调系统冬季制热运行工况的实测分析 ....... 25

3.4 地源与空气源热泵联合空调系统控制策略优化方案分析 ............. 26

3.5 本章小结 ..................................................... 27

第四章地源与空气源热泵联合空调系统仿真模型构建及验证 .............. 29

4.1 TRNSYS 软件简介 ............................................... 29

4.2 地源和空气源热泵联合空调系统 TRNSYS 仿真数学模型 .............. 30

4.2.1 地埋管换热器模型 .......................................... 31

4.2.2 地源热泵机组模型 .......................................... 37

4.2.3 空气源热泵机组模型 ........................................ 40

4.3 地源与空气源热泵联合空调系统仿真模型的建立 ................... 42

4.4 地源与空气源联合热泵系统仿真模型的实测验证 ................... 44

4.4.1 典型夏季制冷工况下的实测验证 .............................. 44

4.4.2 典型冬季制热工况下的实测验证 .............................. 47

4.5 本章小结 ..................................................... 48

第五章不同控制策略下地源与空气源热泵联合空调系统运行模拟及分析 .... 49

5.1 不采用控制策略的系统运行分析 ................................. 50

5.2 切换时间控制运行策略分析 ..................................... 52

5.3 室外空气干球温度控制运行策略分析 ............................. 55

5.4 室外空气干球温度与地埋管出水温度温差控制运行策略分析 ......... 58

5.5 三种控制策略比较分析 ......................................... 61

5.6 本章小结 ..................................................... 63

第六章结论与展望 .................................................. 64

6.1 结论 ......................................................... 64

6.2 展望 ......................................................... 65

参考文献 ........................................................... 67

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 70

一、论文 ......................................................... 70

二、专利 ......................................................... 70

三、科研项目 ..................................................... 70

致谢 ............................................................... 71

第一章绪论

1.1 研究背景

近些年，随着国民经济的巨大发展，人们对建筑物舒适性的要求越来越高，这

也就导致了夏热冬冷地区的供暖需求问题日趋显著，特别是在经历了 2008 年数次

“冷冬”之后，各界对“南方供暖”问题讨论的更为激烈。然而，能源紧张与环境

破坏已成为限制人类发展和威胁人类生存的重大阻碍。相关数据表明，如今我国建

筑能耗已占总能耗量的 30%左右，而在城市民用建筑中，空调能耗约占整个建筑

能耗的 50%~60%，尤其是在我国的南方城市，夏季不仅温度高而且持续时间较长，

故空调能耗较大。因此，为了缓解能源短缺的矛盾，研究和探讨南方地区高效的供

暖空调系统意义重大[1]。

1.1.1 夏热冬冷地区住宅对供暖的诉求

我国夏热冬冷地区主要分布在长江流域（西起四川盆地、东至长江入海口上海

市），涉及上海、重庆、湖北、湖南、四川等 16 个省、市、自治区，占我国陆地面

积的 15%左右。夏季，该地区最明显的气候特点为炎热潮湿；冬季，该地区最明显

的气候特点为阴冷潮湿，最冷月平均气温不足 10℃，平均相对湿度却高达约 80%。

虽然该地区处于纬度相对较低的地方，其冬季日照率却较低，仅为 20%~40%,低于

我国北方多数地区日照率 60%[2]。以累年日平均温度小于 5℃的时间指标来衡量的

话，这类地区基本上都属于《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736—

2012）所规定的“宜设置供暖设施”的地区。

重庆大学付祥钊等人在四川、湖南、浙江等 7省的 24 个城市进行的冬季住宅

热环境质量的调查研究表明，倘若室内无任何供暖措施，室内空气温度低于 10℃

的频率高达 78%，且当室内空气温度低于 10℃时，长时间坐着的人员有 91%以上

生理上会感觉到冷；不久坐的人员也有约 47%生理上会感到冷[3]。东华大学的吕静

也进行了类似状况的冬季室内热环境实测，结果表明室内空气日平均干球温度低

于12℃的频率高达 85%，室内空气相对湿度在 60%到80%之间，这样也就导致了

平均 PMV 值仅为-2.4，远低于热舒适环境要求的 PMV 范围-0.5~0.5[4]。

夏热冬冷地区住宅冬季室内恶劣的热环境会导致发生感冒、发烧、呼吸道感染

等疾病的概率升高。近年来该地区冬季极端寒冷天气的多次出现使得人们更加关

夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统运行策略的研究

注住宅供暖问题。因此，探讨是否设置供暖设施及适宜的供暖方式非常有必要。

1.1.2 热泵技术在夏热冬冷地区的应用

热泵空调是利用大自然的空气、土壤作为低品位热能，并通过电力做功来调节

建筑物内的空气温湿度( 含供热和制冷)的系统。根据低品位能的不同，其类别有

空气源热泵和地源热泵两大类。冬季，当热泵系统充当空调系统的热源时，我们省

去了锅炉和锅炉房，从而节省了部分投资，并且全年仅使用无二次污染的电能，使

污染向上游电厂转移，从而减轻了当地的大气污染。

空气源热泵技术是以空气作为自然冷源。由于空气容量大且可以付出较小的

代价，方便的加以利用，因此，空气源热泵在夏热冬冷地区应用十分广泛，但由于

冷源存在波动性和低温性的特点，它在夏热冬冷地区的应用存在如下的问题：第一，

在夏季室外环境温度比较高的时候，空气源热泵的制冷性能系数偏低，然而建筑冷

负荷却较高，使得空气源热泵难以很好满足建筑室内冷负荷的要求；第二，冬季，

我国长江周边地区的相对湿度颇高，在这样的低温度高湿度的气候条件下，空气源

热泵的蒸发器很容易结霜，从而导致空气流通不畅、传热系数较低等问题，频繁的

除霜会导致热泵不能正常工作，造成系统冬季能效比较低。

与空气热源相比，浅层土壤热源能量品位较高且比较稳定，使得地源热泵系统

性能和稳定性较空气源热泵高。根据美国环境保护署 EPA 的资料，与空气源热泵

系统相比，在适当的热源状况下，地源热泵的使用在减少能源消耗量约 44%；与普

通的电采暖设备和空气源空调设备组成的模式相比，运行费用降低了高达 72%；

与燃煤锅炉相比，用电驱动的地源热泵可以将二氧化碳的排放量减少 30%；与传

统的空调机组相比，地源热泵的使用可以降低 50%的制冷剂消耗量，故其推广应

用可以有效的降低电力消耗，缓解温室和热岛效应[5, 6]。

但在夏热冬冷地区单一的使用地源热泵会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埋管侧地下热堆积问题。对夏热冬冷地区而言，

建筑内夏季的冷负荷远远超过了冬季的热负荷，所以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。

在我国长江中下游地区及华南地区，地源热泵系统制冷时向土壤释放的热量

要远大于供热时从土壤中吸收的热量的主要原因有两方面：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

第一章绪论

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

[7]。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。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地源热泵技术的研究现状

地源热泵的概念最早出现在 1912 年H.Zoelly 的一份专利文献中，随后地源热

泵研究基本处于实验阶段。第一波地源热泵研究热潮出现在 1950 年左右，那时人

们开始广泛关注这项技术，发达国家纷纷踏上了研究地源热泵的进程。值得一提的

是，1948 年Kelvin 提出了“线热源理论”。目前绝大部分土壤源热泵设计方法均基

于该理论，其中包括有限长线热源理论、无限长线热源理论等。可惜的是，由于当

时地源热泵的初投资较高以及其它能源较为廉价，研究热潮并没有能够持续很久。

第二波地源热泵研究热潮是由 1973 欧美等国的能源危机引起的，尤其是在北

欧地区，研究热潮达到了前所未有的高度。1974 年，仅在欧洲大陆就开发了数十

个地源热泵项目，人们研究并总结了地源热泵在设计、安装、运行等方面的经验。

在瑞典，近六千个地源热泵水平地下埋管系统被安装了；同时，在德国也涌出大量

的水平埋管工程，但基本所有的系统均用于采暖；而从上世纪 80 年代末开始，美

国政府开始积极倡导和支持地源热泵系统，例如在美国能源部的大力支持下，美国

橡树岭国家实验室、布鲁克海文国家实验室以及俄克拉荷马州立大学等研究机构

对地源热泵系统进行了相关研究。总体来说，在 20 世纪 70 至80 年代的主要研究

工作在于岩土热物性、不同地下埋管形式对传热过程的影响及其模拟计算方法。这

些研究工作为土壤源热泵的发展和推广做出了巨大的贡献[8]。

20 世纪 90 年代，人们仍然主要研究地下埋管的换热机理以及如何加强传热等

方面。比如，为了更好地模拟地埋管换热器的真实换热，人们研究了埋管与土壤相

互耦合的传热传质模型；为了提高埋管与土壤换热能力，人们研究了热物性更加好

的回填材料；为了进一步优化热泵系统，人们研究了埋管换热器、热泵机组及建筑

冷热负荷的合理匹配等问题。

90 年代末，地下耦合热泵技术在北美和欧洲迅速普及。数据显示，在美国由

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摘要：

摘要随着我国经济发展和人民生活水平的提高，夏热冬冷地区的建筑供暖需求问题日益显著。地源热泵系统与传统供暖系统相比，可实现能源、经济和环境的协调发展，符合能源可持续发展战略。然而，在南方地区单一地使用地源热泵会造成地下热堆积问题，因此复合式地源热泵应运而生。现阶段的复合式地源热泵系统主要是通过增加辅助散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。针对这种情况，考虑到空气源热泵在夏热冬冷地区的成熟应用，在维持地源热泵系统土壤热平衡的前提下，本课题将介绍一种新型的地源与空气源热泵联合运行空调系统在夏热冬冷地区（以上海地区为例）的应用，并对其运行...

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