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地源热泵空调系统运行建模研究及能效分析

雷飞  
【摘要】:地源热泵空调系统利用地下浅层的低品位能量对建筑供热制冷,比常规空调系统能源利用更合理,是一项极具发展前途的可再生能源利用新技术。在国内节能减排形势下,地源热泵技术以其节能、环保特点,越来越受重视,近年快速发展。但地源热泵空调系统建设费用高,需通过其运行节能性来弥补。地源热泵的实际使用效果及性能,不仅与设备有关,还与地区和具体工程情况以及使用情况关系密切,这些影响因素是实验数据无法反映的。对运行使用的地源热泵系统进行测试和研究,是了解地源热泵系统运行特性与节能效果的重要手段。 本文首先分别介绍了对两类地源热泵空调系统的全年运行监测分析。这两类系统分别是地埋管热泵和地下水水源热泵,是地源热泵空调系统的两种主要应用形式。两个系统都是武汉地区住宅建筑中使用的集中空调系统,使用条件相似、空调采暖规模相近。通过监测得出了系统和机组的季节能效性能系数,分析比较了地源热泵空调系统的温度情况,对地埋管系统由于冷热堆积效应的季节影响和年度影响进行了评价。验证了住宅建筑的能耗与室外空气温度的线性关系,说明在住宅建筑中度日法用于能耗负荷预测的适用性。并对这类系统存在的典型问题进行分析。 结合全年运行监测分析,对地源热泵空调系统应用中的重点方面进行了专题研究,包括:对两个不同类型的地源热泵空调系统进行了深入的能效对比分析,分别与传统空调和地源热泵系统的文献数据进行比较,采用实测数据用理论模型预测理想能效,并与实测能效进行比较;对地下水源热泵空调系统,通过对最热月和最冷月的平均运行工况数据分析,得出了各设备及系统的火用损及火用效率,找出了系统的薄弱环节并对所提出的两种改进措施进行了对比,两种改进措施为:控制热泵机组端差、取消井水侧的换热器的直接连接方式;针对地下水源热泵中节能和地下水利用两方面问题,建立水源侧流量分析模型和典型的基准工况,分析板式换热器循环流量和地下水流量最佳范围,以及地下水取用单价的合理范围。 在对地埋管换热器的传热分析基础上,本文提出了一种地埋管换热器的逆向建模方法:G函数插值法。利用地埋管换热器传热的线性叠加特点,采用约束非线性单纯形法求解反卷积计算,拟合模型参数。应用该方法进行了逆向建模与预测,并同基于正向模型DST的调试建模法进行了对比验证。模拟数据验证采用一个假设算例,合成热流做为全年热流输入负荷,附加随机噪声模拟数据测试和记录过程的误差,检验两种建模方法的容错性。实际运行数据验证采用两个不同规模的实际运行地埋管空调系统的运行数据进行逆向建模,验证建模方法的实用能力。小型系统运行数据来源于文献,大型系统为本文中的地埋管热泵监测数据。通过对大型系统第二年的温度预测与实测的对比,检验逆向模型的预测效果。验证计算结果显示:G函数插值法与DST调试法拟合预测结果较好,而G函数插值法拟合误差和预测误差都小于DST调试法,日记录数据误差是产生逆向建模拟合预测误差的主要原因。在G函数法基础上,本文又提出了一个简单的方法:度日G函数法。度日G函数法采用室外温度预测地埋管换热器负荷,适用于住宅类型建筑的集中空调系统。根据实测数据验证,度日G函数插值法比DST调试法误差大,但可满足工程应用的一般要求。 本文通过对运行系统的实测,对地源热泵应用的关键问题进行了深入研究;建立了地埋管逆向模型,为地源热泵空调系统的运行应用提供了新的计算方法。


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