兰州地区太阳能-地源热泵联合供暖系统的数值模拟研究

摘要

近几年来，随着经济的快速发展，人们对能源的需求量也不断增加。同时，传统化石能源使用所带来的空气污染已经成为全球性难题，尤其在我国冬季供暖期间，雾霾现象的发生越来越频繁，已经严重影响了人们的正常生活、工作、学习和身体健康。为了减少传统化石燃料的使用量，实现环保和节能要求，人们开始寻求新能源和新型节能技术，如太阳能和热泵技术。其中，太阳能作为清洁可再生新能源的典型代表，具有节能、环保和可再生利用等特性。利用太阳能热水系统承担建筑物的冬季热负荷，已在建筑领域得到了广泛的应用。但是，受气象状况的影响，单一的太阳能热水系统会发生供热不连续甚至中断的现象。对于北方寒冷地区，单一地源热泵供暖系统在冬季供暖期间的连续运行，从土壤中吸取的热量会超过了非供暖期间土壤本身的热修复能力，造成地源热泵机组(Ground Source Heat Pump Unit,GSHPU)的地埋管所在区域土壤温度逐渐降低，使得机组COP值下降，运行功耗增加。
　　为了克服上述问题，同时充分利用兰州地区丰富的太阳能资源，本文综合太阳能技术，热泵技术和供热技术，提出了太阳能-地源热泵联合供暖系统的设计思路，工艺流程及其运行模式。基于TRNSYS软件，对该联合供暖系统进行数值模拟和性能分析，验证该系统的可行性。本文主要研究内容如下：
　　1.基于太阳能技术和热泵技术以及供热工艺要求，提出太阳能-地源热泵联合供暖系统的工艺流程，且对其运行模式，包括供热采暖模式A，供热采暖模式B和土壤热量回补模式C进行了分析。
　　2.对该太阳能-地源热泵联合供暖系统各个主要组成环节的工作机理进行了数学表述和主要设备的选型计算。
　　3.选取兰州地区某办公楼作为该混合供热系统的应用对象，利用TRNSYS软件，对该办公楼的混合供热系统进行组态。在采暖期间，数值模拟该系统主要运行参数变化规律。结果表明，该混合供热系统可以满足办公楼的供热负荷需求。在非采暖期间，对GSHPU地埋管所在区域的土壤热量回补模式进行数值仿真，结果表明，该热量回补模式能够恢复土壤的热平衡，克服了单一地源热泵供暖系统运行所导致土壤温度逐渐降低和地源热泵机组COP值下降的问题。
　　4.基于技术、经济、节能、环保等指标，将该太阳能-地源热泵联合供暖系统与其它传统供暖系统进行了比较。结果表明，该系统具有运行费用低，技术先进，且节能减排效果明显等优点。
　　本文的研究结果验证了太阳能-地源热泵联合供暖系统的可行性，为解决北方寒冷地区的冬季采暖问题开拓了新途径以及为太阳能和浅表层地热能的综合利用提供了一定的参考作用。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 太阳能与热泵的综合应用技术

1.3 本文的主要研究方法和内容

第2章 太阳能-地源热泵联合供暖系统的工作机理及数学描述

2.1 太阳能-地源热泵联合供暖系统工作机理描述

2.2 太阳能集热子系统

2.3地源热泵子系统

2.4地板辐射采暖系统

2.5本章小结

第3章 太阳能-地源热泵联合供暖系统主要设备选型计算

3.1 概述

3.2 太阳能-地源热泵联合供暖系统主要设备选型

3.3本章小结

第4章 太阳能-地源热泵联合供暖系统关键运行参数的数值仿真及分析

4.1 仿真模拟软件简介

4.2 太阳能-地源热泵联合供暖系统的数值仿真

4.3 单一地源热泵供暖系统都数值模拟对比及分析

4.4本章小结

第5章 太阳能-地源热泵联合供暖系统的经济节能性分析

5.1 基于费用年值法的经济性分析

5.2 系统环境效益及节能性分析

5.3 本章小结

结论与展望

1. 结论

2. 展望

参考文献

致谢

附录A（攻读硕士学位期间所发表的学术论文）