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太阳能季节性蓄热与地源热泵耦合系统的仿真及方案优化

段龙真  
【摘要】:目前北方城镇供暖设备多为容量小、分布广、能耗高的工业锅炉,是引起严重雾霾天气的重要原因之一,寻求清洁的供暖方式,已成为缓解我国环境污染压力的迫切任务。太阳能和地热能作为可再生能源,具有广泛分布、能源利用效率高、清洁环保的特点,受到广泛关注。本文提出太阳能季节性蓄热与地源热泵耦合系统,融合了太阳能和地源热泵各自的优点,解决了太阳能的不稳定性和地源热泵带来的土壤热平衡问题。本文围绕这一系统,进行了耦合连接方式、负荷分配、运行模式和系统优化等几个方面的研究。首先利用TRNSYS仿真软件建立了建筑负荷模型,仿真得出了该建筑的逐时负荷。根据生活热水负荷及土壤的累积失热量对集热器面积进行了估算。又结合该软件特点提出了集热器面积和地埋管钻孔数量的设计流程,这为后面的研究提供了基准。随后在TRNSYS中建立了太阳能-地源热泵耦合的间接回灌双水箱系统仿真模型,利用蓄热水箱向土壤回灌热量,通过仿真得出蓄热时进入地埋管的水温低于PE管的最高耐受温度,不会造成PE管老化;系统累积蓄热量能满足热泵累积取热需求,同时太阳能集热器承担了大部分的生活热水负荷。其次在TRNSYS中建立了太阳能-地源热泵耦合的直接回灌单水箱系统仿真模型,与间接回灌系统的累积蓄热量和系统总能耗进行对比,得出前者累积蓄热量大于后者且系统能耗较低。同时,该系统蓄热时的地埋管入口水温不会对PE管的使用寿命造成影响。并研究了该系统的两种蓄热控制方式,即供暖季蓄热和全年蓄热。仿真分析发现非供暖季向土壤回灌的热量也能满足热泵取热需求,同时系统的运行能耗更低。因此直接回灌系统在非供暖季进行蓄热的模式最优。然后以非供暖季蓄热的直接回灌系统为基准,搭建了直接蓄热辅助供暖仿真系统,当生活水箱温度满足设定要求时,水箱利用板式换热器辅助供暖;该系统与直接回灌系统的总能耗进行对比分析,结果表明前者的能耗低于后者且投资回收期较短,该系统的提出有利于耦合系统的节能运行,具有较好的推广价值。最后对直接回灌辅助供暖系统的主要参数进行了优化,即集热器倾角、方位角,集热器面积,生活水箱温度。首先以一年的运行能耗为目标函数,使用GENOPT对集热器倾角、方位角进行优化计算;其次对不同集热器面积下的水箱温度进行优化;最后采用静态投资回收期的方法确定了最佳的集热器面积。在以上参数下系统的初投资和运行费用综合最优。


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