淺析復(fù)合源熱泵技術(shù) 楊晶晶

淺析復(fù)合源熱泵技術(shù)水能暖通15楊晶晶01020304目錄背景簡(jiǎn)介形式及工作原理國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀技術(shù)優(yōu)勢(shì)及待解決問(wèn)題05未來(lái)技術(shù)路線1.背景簡(jiǎn)介1.1我國(guó)面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)面臨能源與環(huán)境問(wèn)題的雙重挑戰(zhàn)。一方面，我國(guó)能源資源短缺,能源需求持續(xù)上漲，能源結(jié)構(gòu)需要戰(zhàn)略性調(diào)整；另一方面，環(huán)境問(wèn)題日益受到社會(huì)的關(guān)注，正逐漸上升到全球安全的高度。發(fā)展高效、清潔、低碳的能源，增加可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重已納入我國(guó)能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃中。我國(guó)社會(huì)總能耗約30%來(lái)源于建筑，暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗約50%，占社會(huì)總能耗約15%，暖通空調(diào)領(lǐng)域的節(jié)能減排對(duì)整個(gè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。1.2地源熱泵技術(shù)地源熱泵技術(shù)利用土壤、地下水、地表水等淺層地?zé)崮苜Y源滿足建筑物空調(diào)、采暖和供熱水等多種需求，是可再生能源建筑的重要技術(shù)之一。地源熱泵可以利用少量的高品位能源(如電能)，通過(guò)熱力循環(huán)將熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體作為一種有效的可再生能源利用形式。穩(wěn)定性經(jīng)濟(jì)性02可持續(xù)性0301地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)有著顯著的優(yōu)越性初投資及能源政策問(wèn)題土壤熱物性測(cè)試的準(zhǔn)度

土壤熱堆積問(wèn)題施工質(zhì)量問(wèn)題地源熱泵技術(shù)在得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，尚存一些技術(shù)性問(wèn)題2.形式及工作原理2.1復(fù)合源熱泵技術(shù)研究起源地源熱泵(GSHP)作為熱泵應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)分支,因其節(jié)能性及與環(huán)境的友好性而倍受世界各國(guó)的青睞,且呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭,目前已被越來(lái)越多的國(guó)家所采用。然而,GSHP因其自身的特點(diǎn)而有其適用的最佳地域范圍,即夏熱冬冷且冷熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)。為了進(jìn)一步擴(kuò)大GSHP的適用地域范圍,針對(duì)一些特定氣候條件的混合地源熱泵系統(tǒng)(HybridGroundSourceHeatPumpSystem)也應(yīng)運(yùn)而生。2.2HGSHPS的形式及其工作原理所謂復(fù)合源熱泵系統(tǒng),是指地源(埋地?fù)Q熱器)加上其它的輔助散熱或加熱裝置的熱泵系統(tǒng)。目前比較常見的混合系統(tǒng)主要有兩種形式:一種是帶有冷卻塔補(bǔ)充散熱的冷卻塔-地源熱泵系統(tǒng),主要適用于以夏季空調(diào)為主的南方氣候地區(qū);一種是帶有太陽(yáng)能集熱器輔助加熱的太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng),主要適用于以冬季采暖為主的北方氣候地區(qū)。2.2.1冷卻塔-地源熱泵系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由地下埋管換熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)及冷卻塔輔助散熱系統(tǒng)三部分構(gòu)成。該混合系統(tǒng)的工作原理是:冬季利用埋地盤管從土壤中的取熱作為低位熱源,通過(guò)熱泵提升后向房間供熱;夏季室內(nèi)余熱的排除由埋地盤管向土壤中的放熱與冷卻塔的散熱來(lái)共同承擔(dān),這樣即可實(shí)現(xiàn)全年埋地盤管從土壤中的取熱量與向土壤中的放熱量的大致平衡。冷卻塔-地源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖2.2.2太陽(yáng)能-地源熱泵系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、地下埋地盤管換熱系統(tǒng)及熱泵工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)三部分構(gòu)成。該混合系統(tǒng)的工作原理是：夏季空調(diào)時(shí),以土壤源作為冷源將空調(diào)房間內(nèi)的余熱通過(guò)埋地盤管釋放至土壤中,同時(shí)將部分熱量蓄存于土壤中以備冬季采暖用;冬季采暖時(shí),以太陽(yáng)能及土壤中夏季蓄存的部分熱量作為低位熱源直接或間接通過(guò)熱泵提升后供給采暖用戶,同時(shí),在土壤中蓄存部分冷量以備夏季空調(diào)用;夏季與過(guò)渡季節(jié),太陽(yáng)能集熱器主要用于提供生活用熱水。3.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1912年，瑞士人佐伊首次提出的利用土壤作為熱泵熱源的專利設(shè)想，標(biāo)志著地源熱泵研究的開始1995年，ASHRAE

首次闡明混合地源熱泵系統(tǒng)在大型商用及公共建筑中的優(yōu)勢(shì)1996年，Gilbreath

對(duì)一個(gè)混合地源熱泵系統(tǒng)實(shí)例建筑進(jìn)行分析，提出了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性建議；1998

年，Kavanaugh對(duì)設(shè)計(jì)輔助散熱裝置容量的方法進(jìn)行了補(bǔ)充修訂；2005年，王景剛等進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果表明輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)在解決地下土壤“熱堆積”、減少系統(tǒng)初投資、改善機(jī)組運(yùn)行性能等方面具有突出優(yōu)勢(shì)2007年，王景剛等通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)不同運(yùn)行控制方式對(duì)地源熱泵機(jī)組和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能和運(yùn)行能耗的影響2007年，遲玉霞等通過(guò)對(duì)輔助冷卻復(fù)合式地源熱泵地下溫度場(chǎng)的研究，根據(jù)土壤溫度場(chǎng)的恢復(fù)情況來(lái)確定輔助散熱量，為復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的推廣提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)；2008年，黃武剛對(duì)上海某公共建筑土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，闡述了閉式冷卻塔輔助冷卻裝置的優(yōu)點(diǎn)，并表明了閉式冷卻塔土壤源熱泵聯(lián)合運(yùn)行較原系統(tǒng)節(jié)能性的提高。2000年，Chiasson.A.D

等人對(duì)以淺水池作為輔助冷卻裝置的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究；2000年，Yavuzturk和Spitler對(duì)一棟小型辦公建筑，構(gòu)建了TRNSYS仿真模擬平臺(tái)，用系統(tǒng)模擬的方法分析了各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)；2010年張宏弢通過(guò)對(duì)冷卻塔數(shù)值模擬，闡述了冷卻塔運(yùn)行特性對(duì)系統(tǒng)性能的影響；2011年，王雷通過(guò)對(duì)武漢地區(qū)復(fù)合土壤源熱泵系統(tǒng)采用Fluent模擬平臺(tái)，對(duì)輔助冷卻系統(tǒng)進(jìn)行為期兩年的運(yùn)行模擬和傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真；2013年，馬文涓以上海某一辦公建筑為例進(jìn)行研究，利用GLD2012軟件和TRNSYS

模擬平臺(tái)對(duì)冷卻塔輔助地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬；2014年，成恒生等利用TRNSYS軟件為平臺(tái)對(duì)長(zhǎng)沙、上海、武漢等不同地區(qū)進(jìn)行分析，為合理選擇不同地區(qū)的運(yùn)行方式提供了參考。常用軟件簡(jiǎn)介OriginTRNSYSFLUENTDESTDEST軟件建筑逐時(shí)負(fù)荷模擬計(jì)算FLUENT軟件建筑群流場(chǎng)模擬計(jì)算TRNSYS軟件系統(tǒng)仿真模擬模擬結(jié)果顯示ORIGIN軟件數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件分水器集水器實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件板式換熱器輔助冷卻塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件空調(diào)末端加熱水箱太陽(yáng)能集熱器地源熱泵系統(tǒng)加熱水箱內(nèi)置兩組加熱器，實(shí)驗(yàn)中用以模擬熱源數(shù)據(jù)采集儀器熱電偶流量計(jì)數(shù)據(jù)記錄儀數(shù)據(jù)采集儀4.技術(shù)優(yōu)勢(shì)及待解決問(wèn)題BDACE符合可持續(xù)發(fā)展的需要運(yùn)行費(fèi)用低、節(jié)能效果顯著可實(shí)現(xiàn)建筑一體化設(shè)計(jì)占地面積小、節(jié)省初投資功能多樣化、調(diào)節(jié)靈活BDFACE太陽(yáng)能集熱器動(dòng)態(tài)性能仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)高額初投資換熱器傳熱傳質(zhì)模型不同氣候、不同運(yùn)行模式性能的可靠性待解決問(wèn)題5.未來(lái)技術(shù)路線復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的研究目前在我國(guó)尚屬于起步階段，基本上停留在一些概念上的認(rèn)識(shí)與系統(tǒng)可行性的分析上，并無(wú)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)。而國(guó)外在這方面作了不少的研究，因此，可以在借鑒國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上，先加強(qiáng)一些基礎(chǔ)性研究，然后逐步向適用化方向轉(zhuǎn)化，目前可以重點(diǎn)放在以下幾方面：①不同的地區(qū)，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式不盡相同，從而所導(dǎo)致的運(yùn)行效率也不一樣。因此，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)不同氣候地區(qū)、不同建筑類型HGSHPS適應(yīng)性與運(yùn)行方式的探討與研究。②HGSHPS比較龐大，其運(yùn)行的性能不僅與控制條件有關(guān)，而且與系統(tǒng)各部件的相互耦合與匹配性、建筑物的負(fù)荷特性及室外氣象參數(shù)等緊密相連。要對(duì)這一復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行狀況有全面了解，必須進(jìn)行相應(yīng)的模擬研究，并開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算軟件模擬其運(yùn)行狀況，以為設(shè)計(jì)、研究及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)在不同氣候地區(qū)、不同控制條件下相互匹配性的研究。③控制策略對(duì)于HGSHPS的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、初投資及其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有很大的影響，對(duì)于不同的氣候地區(qū)，為了達(dá)到最佳的運(yùn)行效果與最小的初投資，其控制策略不同。因此，必須大力加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)在不同地區(qū)最佳控制方案及其相應(yīng)的自動(dòng)控制技術(shù)方面的研究，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的自動(dòng)優(yōu)化，從而達(dá)到最佳的運(yùn)