次日负荷模拟及其在地埋管热泵热补偿系统中的应用研究

摘要

准确计算建筑物的供暖或者空调负荷是进行暖通空调系统的合理设计和科学运行管理的基础。而现有的各种负荷预测和模拟方法一般需大量历史数据对预测模型进行训练，导致负荷预测精度不够稳定且很难对外部参数的剧烈变化做出及时响应。
　　各种用于负荷和能耗模拟的软件虽然已经非常成熟并在大量实际工程中得到了应用，但是目前各种模拟软件使用的气象参数库都是在历史气象参数的基础上通过统计学方法处理获得的。在全球气候变化的形势下，这样的气象参数库与实际的天气情况和气象参数的差别越来越大。而气象科学的发展使得目前官方发布次日的气象预报数据的准确程度逐渐提高。为了改进负荷模拟软件气象参数库，进而减少负荷模拟的误差，本文提出了基于次日气象预报数据对模拟软件的气象参数库进行修正，进而提高负荷模拟精度的次日负荷模拟方法（FDLS）。
　　次日负荷模拟方法需要对次日逐时的干球温度、湿球温度和太阳辐射强度进行预测。次日逐时干湿球温度的预测使用了香港学者提出的基于次日温度预报的修正灰色 GM（1,1）模型。而由于次日逐时太阳辐射强度的预测难度较大，且官方天气预报并不提供次日太阳辐射强度极值的数值预报，现有的预测次日逐时太阳辐射强度方面的研究预测精度不够理想。为提高太阳辐射强度预测精度，本文提出了基于气象预报数据预测次日逐时太阳辐射强度的相似日组法(STSDG)，该方法基于使用长期历史参数开发的 DeST参数库、近3年的实测太阳辐射强度数据以及次日气象预报数据对相似日组内的次日逐时太阳辐射强度进行预测。相似日组法预测逐时太阳辐射强度的精度接近现有的方法，而在预测太阳辐射强度日累计值方面取得了较高的精度。但相似日组法忽略了空气污染的影响，仅适用于空气质量良好的地区或时间段。针对北方地区冬季空气污染严重的情况，本文进一步提出了基于AQI（空气质量指数）修正系数的修正相似日组法，该方法在严重空气污染情况下也获得了较高的预测精度。
　　为了使基于气象预报的次日负荷模拟方法(FDLS)在实际工程中能发挥作用，结合工程应用的实际需求，本文进行了该方法的应用研究。应用研究主要在两个方向进行，分别是冰蓄冷系统和地埋管热泵热补偿系统。在结合实际工程项目进行的冰蓄冷系统应用次日负荷模拟方法的实验研究中，通过将实测的建筑物负荷和使用次日负荷模拟方法获得的负荷进行对比，证明了次日负荷模拟方法的精度良好，其模拟值可以作为冰蓄冷系统运行策略制定的基础。
　　为了将次日模拟的方法用于目前我们国家大力推广的地源热泵技术，更好的发挥次日负荷模拟方法的优势，针对现有地埋管热泵热补偿系统的缺点，本文提出了基于排风热回收的地埋管热泵热补偿系统（EHR）和排风热回收+太阳能复合式地埋管热泵热补偿系统（ESTC），并给出了低功耗排风热回收换热器计算模型。其中，针对配电室排风热回收+太阳能复合式地埋管热泵系统(ESTC-GCHP)的特点，基于次日负荷模拟方法的核心内容，进一步提出了 ESTC-GCHP系统的热补偿优化运行方法（OTC）。在热补偿优化运行方法中，基于次日负荷模拟方法，使用修正灰色 GM（1,1）模型进行配电室次日逐时排风温度的预测，进而预测次日逐时热回收量；使用修正相似日组法进行次日逐时太阳辐射强度的预测，进而预测太阳能集热器次日逐时集热量。之后根据排风热回收和太阳能系统的热补偿量的全天变化情况，选择高效时段，分别确定这两套系统的运行时间表，从而提高整套系统的热补偿能效。
　　在地埋管热补偿系统的实验研究方面，结合工程实例，分别采用厨房排风和配电室排风作为热源，对基于厨房排风热补偿的地埋管热泵系统（EHR-GCHP）和配电室排风热回收+太阳能复合式地埋管热泵系统(ESTC-GCHP)进行了运行实验。实验结果表明，EHR和 ESTC系统均能有效进行地埋管热泵地下换热器的热补偿，且相较常规的热补偿系统热补偿效率高，能耗低。此外，将热补偿优化运行方法（OTC）方法用于 ESTC-GCHP系统时,进行次日配电室排风热回收换热器和太阳能集热器的热补偿量预测的精度均较高。并且，相较常规的运行模式，ESTC-GCHP系统应用优化运行方法，可以显著提高系统热补偿效率、降低热补偿能耗。在优化运行方法下 ESTC-GCHP系统的单位能耗热补偿量（TEC）相当于常规运行时的TEC的1.25倍。
　　论文的创新性工作主要有：
　　（1）基于 DeST模拟软件，提出了基于气象预报的次日负荷模拟方法(FDLS)，给出了该方法(FDLS)的应用流程。相较现有负荷预测的方法，该方法不需要大量历史负荷数据训练模型，且能够对次日剧烈的气象参数变化迅速响应，可以显著提高蓄热和蓄冷系统设计和运行管理中需要的日累计负荷的预测或模拟精度。
　　（2）次日负荷模拟方法的核心是使用2种改进的预测模型对次日的气象参数进行预测，进而用预测值替代模拟软件参数库中的次日气象参数值，所以次日负荷模拟方法对气象参数的预测精度的要求较高。为提高太阳辐射强度预测精度，本文提出了基于气象预报预测次日逐时太阳辐射强度的相似日组法(STSDG)。并且，针对北方地区冬季空气污染严重的情况，进一步提出了基于 AQI修正系数的修正相似日组法。并使用基于气象预报的修正灰色GM（1,1）模型预测次日逐时干湿球温度。
　　（3）结合工程应用的实际需求，进行了次日负荷模拟方法的应用研究。应用研究主要在两个方向进行，分别是冰蓄冷系统和地埋管热泵热补偿系统。其中，在地埋管热补偿方面，为了更好的发挥次日负荷模拟方法的优势，针对现有热补偿系统的缺点，本文提出了基于排风热回收的地埋管热泵热补偿系统（EHR）和排风热回收+太阳能复合式地埋管热泵热补偿系统（ESTC），并给出了低功耗排风热回收换热器计算模型。
　　（4）针对配电室排风热回收+太阳能复合式地埋管热泵系统(ESTC-GCHP)的特点，基于次日负荷模拟方法中有关气象参数预测的核心内容，进一步提出了能够提高ESTC热补偿系统运行效率的热补偿优化运行方法（OTC）。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 研究内容

第2章 次日负荷模拟方法

2.1 次日负荷模拟的定义

2.2 次日负荷模拟的流程

2.3 使用次日气象预报参数的必要性

2.4 次日逐时气象参数的预测

2.5 次日负荷模拟方法的适用范围

2.6 本章小结

第3章 基于气象预报的太阳辐射强度预测研究

3.1 现有太阳辐射强度预测方法

3.2 用于次日太阳辐射强度预测的节气相似日组法

3.3 高AQI环境下的修正相似日组法

3.4 本章小结

第4章 次日负荷模拟方法的验证

4.1 研究对象

4.2 实验方法和评价指标

4.3 模拟与实验结果分析

4.4 本章小结

第5章 新型地埋管热泵热补偿系统

5.1 现有地埋管换热器热补偿方法

5.2 基于排风热回收的热补偿系统

5.3 排风热回收换热器计算方法和评价指标

5.4 系统的仿真模型的建立

5.5基于次日负荷模拟方法的热补偿运行策略

5.6 排风热回收热补偿系统性能评估

5.7 本章小结

第6章 复合式热补偿系统优化运行方法

6.1 配电室排风热回收+太阳能复合式热补偿系统

6.2 复合式热补偿系统补热量计算方法

6.3 复合式热补偿系统优化运行方法

6.4 热补偿优化运行方法的次日参数预测

6.5 热补偿优化运行方法的模拟和实验研究

6.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读学位期间所参与的科研项目