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《西华大学》 2020年
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广安地区土壤源热泵系统应用研究

袁杨  
【摘要】:地源热泵作为一种高能效低污染的新型能源利用方式在我国得到推广。夏热冬冷地区(如西南地区)使用地源热泵系统存在土壤取放热不平衡的现象,大多采用复合式系统。由此涉及到多方面的技术问题需要研究,包括分析建筑负荷、设计冷热源系统,机组选型、设计机组群控方案、设计地下换热器,评估系统性能等。本文针对广安地区某产业园区土壤源热泵复合系统的应用开展研究。该项目包括36栋建筑,供冷供热面积246391m~2,卫生热水供热面积48729m~2。本文(1)搜集建筑参数和用户信息,模拟计算用户空调负荷和生活热水负荷;(2)研究文献,设计采用土壤源热泵技术的冷热源系统;(3)参考土壤热响应报告参数,设计地下换热器方案;(4)建立地下换热器土壤传热模型;(5)提出解决用户冷热不平衡问题的机组群控方案;(6)基于地下换热器模型对冷热源系统性能和群控方案进行快速模拟检验。本文采用以EnergyPlus为内核的Designbuilder软件建模并模拟用户全年逐时冷热负荷。空调夏季高峰负荷18448.79KW夏季累计总负荷8913979.51KWH;冬季高峰负荷9095.20KW冬季总负荷5871218.79KWH,冬夏负荷不衡率为34.13%。全年生活热水热负荷为1849462.92KWH。本文提出“热回收土壤源热泵机组+土壤源热泵机组+冷水机组”的复合系统方案。选用3台2900KW(制冷功率)/3100KW(制热功率)地源热泵机组,1台960KW(制冷功率)/1020KW(制热功率)全热回收地源热泵机组,4台2200KW(制冷功率)冷水机组;1台290KW(制热功率)高温地源热泵热水机组。基于此提出3种机组群控方案:(1)群控方案一为夏季优先开启地源热泵机组承担夏季负荷,全部热泵机组满负荷后开启冷水机组承担剩余负荷,冬季负荷全部由地源热泵机组承担。(2)群控方案二为夏季不大于960KW负荷全部由全热回收地源热泵机组承担,高于960KW的负荷地源热泵机组承担50%其余负荷由冷水机组承担,冬季负荷全部由地源热泵机组承担。(3)群控方案三机组运行的前4年运行规则与方案一相同,从第5年开始在过渡季节(3、4、5、10月)将冷却塔与地下换热器管群相连,在冷却塔出水温度与钻孔壁温温差大于1℃的时刻开启冷却塔为土壤降温。参考土壤热响应实验和群控方案下的最大机组负荷设计了三种群控方案对应的地下换热器初步方案。群控方案一地下换热器方案:钻孔数目2300个,钻孔深度100m,孔间距6m。群控方案二地下换热器方案:钻孔数目2300个,钻孔深度100m,孔间距6m。群控方案三地下换热器方案:分区一钻孔数目50个,分区二钻孔数目2250个,钻孔深度100m,孔间距6m。为了模拟系统长期运行的性能,提出了竖直U型管地下换热器的一维有限元数值传热模型,输入参数为钻孔逐时负荷和钻孔逐时流量,输出参数为钻孔逐时土壤温度分布、钻孔逐时进出水温。与TRNSYS比较表明全年范围两者计算结果绝对偏差的最大差值不超过1℃,52.85%情况下偏差在0.2℃以下,约80%的情况偏差在0.6℃以下。可认为本模型的全年模拟准确性与TRNSYS相当。该模型全年计算时间约13min,能够快速得到结果,适合进行多方案长期性能预测。根据地下换热器模型提出用于检验群控方案及对应地下换热器方案的“热泵-地下换热器耦合计算模型”,其输入参数为:全年逐时机组负荷,逐时冷冻水流量、逐时冷却水流量、初始热泵机组蒸发器侧出口水温,钻孔初始出口水温、地下换热器参数(钻孔数、孔间距、孔深、钻孔热物性参数)。输出参数为钻孔吸放热量、钻孔进出水温、钻孔土壤温度分布。使用“热泵-地下换热器耦合计算模型”检验和优化三种群控方案的地下换热器方案:群控方案一在初始地下换热器方案下模拟结果为:全年累计吸热量5339716.8KWH;累计释热量9485923.95KWH,全年地下侧累计冷热量不平衡率约为43.70%。机组连续运行到第12年时钻孔最高出口水温为32℃,热泵机组无法正常运行。提出优化的群控方案:孔数3000个,孔深100m,孔间距6m。群控方案一在优化的地下换热器方案下模拟结果为:全年累计吸热量5243887.61KWH;累计释热量9457476.67KWH,全年地下侧累计冷热量不平衡率约为44.55%。连续运行30年钻孔最高出口水温为31.60℃,机组可连续运行30年群控方案二初始地下换热器方案下模拟结果为:全年累计放热量5394108.23KWH;累计吸热量5243896.20KWH。全年累计冷热量不平衡率约为2.78%,冷热平衡状况较好。机组连续运行30年中地下换热器的最高出水温为23.5℃,机组可以连续运行30年。群控方案三在初始地下换热器方案下模拟结果为:地下换热器单孔平均制冷季节放热量为4111.95KWH,制热季节单孔平均吸热量为2042.09KWH,回灌季节单孔吸热量随回灌年份逐渐增多,平均单孔吸热量为2612.12KWH。运行到第25年地下换热器出水温度32.11℃,该方案可以保障机组连续运行25年。提出优化的地下换热器方案为:用于5#高温热水热泵机组的换热的钻孔数:50个,用于1#~4#地源热泵机组工作及冷水回灌措施的钻孔数:2500个,孔间距6m,钻孔深度100m。群控方案三在优化的换热器方案下模拟结果为:制冷季节单孔负荷为4099.62KWH,制热季节单孔负荷为2005.44KWH。回灌季节单孔吸热量随回灌年份逐渐增涨,平均单孔吸热量为2454.84KWH。机组运行30年中最高钻孔出口水温30.91℃。该方案可以保证系统连续运行30年。由于本文是对广安地区某项目采用土壤源热泵技术的可行性进行研究,因此仅从系统能否长期运行的角度考虑建议在第3章的冷热源配置下采用以下三种方案。(1)群控方案一,及地下换热器方案:3000个钻孔,孔深100m,孔间距6m;(2)群控方案二,及地下换热器方案:2300个钻孔,孔深100m,孔间距6m;(3)群控方案三及地下换热器方案:分区一钻孔数50个,分区二钻孔数2500个,孔深100m,孔间距6m;模拟研究说明:调整地下换热器方案无法从根本上解决系统土壤侧吸放热不平衡的问题,但可以缓解地温水温的增长趋势保证系统连续运行30年。调整群控方案可以从根本上解决解决系统土壤侧吸放热不平衡的问题。总之,本文计算了项目冷热负荷,研究了土壤源热泵复合系统配置,提出了三种机组群控方案,建立了地下换热器传热的快速计算模型,设计了地下换热器方案,通过对系统1~30年动态模拟得到可长期运行的群控方案及地下换热器方案。本文工作对冬冷夏热地区采用地源热泵复合系统优化设计具有较好的示范作用。
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