典型气候区办公建筑复合式地埋管地源热泵系统控制策略分析

摘要

现在，全世界范围内都非常关注能源、环境及可持续发展问题，目前，我国仍然是以燃煤为主的发展中国家，这种不合理的能源结构已经造成了能源的日益枯竭与环境的逐渐恶化。因此，寻求一种节能、环保，又能可持续发展的新能源以及将其应用于暖通空调领域的新技术已成为我国科技工作者一项共同而艰巨的任务。地埋管地源热泵系统因其节能性、环保性以及可持续发展性而成为值得推广和发展的新能源和新技术的首选。我国地域辽阔，南北气候相差较大，既有以夏季负荷为主的南方夏热冬冷地区，又有以冬季负荷为主的北方严寒地区，因此在地埋管地源热泵系统的应用中出现了大地热不平衡问题。针对这种情况，提出了复合式地埋管地源热泵系统，可以缓解地埋管地源热泵系统运行过程中的大地热不平衡问题。因此，在我国目前的形势与条件下，应该大力加强复合式地埋管地源热泵系统的研究与开发，以促进其应用与发展。
　　本文参考复合式地埋管地源热泵系统在国内外的发展形势，综合考虑其在工程设计及应用中存在的各种问题，主要对两个典型气候区即以夏季负荷为主的夏热冬冷地区和以冬季负荷为主的严寒地区的办公建筑所采用的冷却塔复合式地埋管地源热泵系统和锅炉复合式地埋管地源热泵系统进行探索和研究。
　　本文针对两个典型气候区的代表城市重庆市和哈尔滨市的气候条件和办公建筑的建筑类型，并从影响地埋管地源热泵系统运行性能的三个建筑动态负荷特征参数：负荷总量的累积特性、负荷强度的变化特性和负荷的持续性出发，对典型气候区办公建筑的动态负荷特征进行分析，得出其对地埋管地源热泵系统的地下换热器的工作性能不利，系统长期运行以后很有可能会引起大地热不平衡的问题。
　　本文对复合式地埋管地源热泵系统进行设计，确定了其所采用的串联系统和并联系统的系统形式，并采用推荐方法对系统进行设备选型。分别建立了考虑机组启停控制和动态EER的热泵机组传热模型、三维管群地下换热器传热模型、板式换热器传热模型、基于Merkel焓差法的冷却塔传热模型以及锅炉传热模型，并在 Fluent软件中实现系统各部件传热模型耦合求解。在建立系统各部件能耗模型的基础上求得复合式地埋管地源热泵系统运行能效比的数学模型。这些模型的建立，为复合式地埋管地源热泵系统在不同控制策略下运行特性的模拟以及运行效果的分析奠定基础。
　　本文提出从经济性、节能性、可靠性三方面来综合评价大地热平衡的方法，分别以历年初投资和运行费用累积值、系统运行能效比年平均值和地源侧热泵机组进水温度为指标，并在分析复合式地埋管地源热泵系统的运行特性并借鉴国内外常用控制策略的基础上，制定了复合式地埋管地源热泵系统的控制策略。通过大地热平衡评价方法，评价了典型气候区办公建筑地埋管地源热泵系统的大地热平衡性，并比较了不同系统形式和不同控制策略下复合式地埋管地源热泵系统的大地热平衡性，分析总结出以下结论：
　　典型气候区办公建筑采用地埋管地源热泵系统时可能存在一定的大地热不平衡问题，可以采用复合式地埋管地源热泵系统来改善其大地热平衡。
　　对于冷却塔复合式地埋管地源热泵系统，串联系统温差控制策略最优。该控制策略具有较好的经济性、节能性和可靠性，系统长期运行大地热平衡效果最好。
　　对于锅炉复合式地埋管地源热泵系统，并联系统最低温度控制策略最优。该控制策略具有较好的经济性、节能性和可靠性，系统长期运行大地热平衡效果最好。
　　本文不仅仅为了提出适用于不同系统的最佳控制策略，最主要的目的是提供复合式地埋管地源热泵系统优化运行的途径和方法，为其进一步的推广及应用提供一定的理论参考和指导意义。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 地埋管地源热泵系统概述

1.3 复合式地埋管地源热泵系统概述

1.4 国内外研究现状

1.5 本文研究意义及内容

1.6 本章小结

2 典型气候区办公建筑动态负荷特征分析

2.1 典型气候区办公建筑全年逐时负荷

2.2 典型气候区办公建筑动态负荷特征

2.3 本章小结

3 复合式地埋管地源热泵系统设计及模型建立

3.1 复合式地埋管地源热泵系统设计

3.2 复合式地埋管地源热泵系统传热模型

3.3 复合式地埋管地源热泵系统能耗模型

3.4 本章小结

4 典型气候区办公建筑大地热平衡性评价

4.1 大地热平衡的评价体系

4.2 夏热冬冷地区办公建筑大地热平衡性评价

4.3 严寒地区办公建筑大地热平衡性评价

4.4 本章小结

5 复合式地埋管地源热泵系统控制策略制定

5.1 复合式地埋管地源热泵系统运行特性分析

5.2 复合式地埋管地源热泵系统控制策略选取

5.3 本章小结

6 复合式地埋管地源热泵系统控制策略比较

6.1 冷却塔复合式地埋管地源热泵系统运行效果比较

6.2 锅炉复合式地埋管地源热泵系统运行效果比较

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录