严寒地区地源热泵系统运行后评估及优化模拟分析

摘要

国内工业化程度不断增速，国民经济持续增长，人们对供暖需求及室内舒适性要求越发强烈。近几年由于燃煤供暖面积的增加，导致空气质量变差。尤其是在严寒地区冬季供暖时间长，燃煤量大，急需新能源代替传统燃煤锅炉供暖方式，在此大环境下近几年地源热泵技术在实际工程中得到了大面积的推广应用。而地源热泵空调系统在市场刚刚起步的几年中，由于市场的不规范使得系统在设计、施工、运行中存在的潜在问题也逐渐暴露出来，特别是在严寒地区的地源热泵系统运行问题最为突出。
　　单一的地源热泵系统在我国严寒地区的应用普遍存在全年地下冷热不平衡等问题。而地下冷热不平衡将导致系统出现一系列的问题。因此有必要对严寒地区的在运行的地源热泵系统提出相应的系统诊断评价方法及找到目前系统普遍存在的问题，并根据诊断问题提出严寒地区现有地源热泵系统的节能改造方向。基于此本文以山西省北部在运行的一个货运火车站地源热泵系统工程为调研对象，首先通过现场勘察结果进行初步评估，对地源热泵机房进行数据采集系统设计，建立一套完整的数据采集系统。通过监测系统运行一个采暖季和空调季的数据对系统进行性能分析及地下热平衡状态的计算与分析，最后根据测试结果对系统进行后评估研究。本文采用了现场诊断，实时运行数据监测，以及后期的数据分析，模拟优化等一系列的诊断技术，根据诊断结果，发现该地源热泵系统存在如下几点问题:
　　(1)地埋管侧全年地下冷热不平衡问题严重;由于地源热泵系统使用受气候地域影响较大，车站处于严寒地区，冬季供暖时间明显长于夏季供冷时间，导致系统从地下取热远大于向地下放热，全年累计取热量为放热量的3倍之多;
　　(2)地埋管数量冬、夏季不匹配的问题，夏季富裕，冬季不足。同时为了保证冬季的回水温度不能过低，采用了大流量循环水泵，导致冬夏季大流量小温差;
　　(3)运行管理不科学合理以及缺乏必要的自控及监测设备，如地埋管侧水泵与机组未实现联动，在制冷主机达到制冷要求停机时地埋管侧循环水泵始终处于高能耗运转状态。
　　通过测试分析结果可知，整个地源热泵系统运行效率低。夏季系统制冷COP为1.8，冬季低至1.4，冬季供暖每平米耗热量指标达到0.33GJ，远远超过当地节能标准规定的每平米0.24GJ的指标。
　　本文还对现有地源热泵系统与常规系统（燃煤锅炉+水冷冷水机组）和原有燃煤系统进行性能对比，评价整个地源热泵系统的使用效果、节能效益、环保效益及经济效益，同时利用GS-1.0地埋管换热器专业模拟软件模拟该系统的地下温度场和系统耗能，根据模拟结果确定该项目节能改造方向与潜力并提出如下改造措施:
　　(1)增加空气源热泵作为辅助热源解决系统取放热不平衡问题;并通过对不同运行控制策略下地埋管热平衡的全年模拟提出合理的运行策略;
　　(2)对于夏季而言，系统埋管数量设计过多，将埋管区域分区运行，缓解地下热平衡问题的同时也提高管内对流换热效率;
　　(3)建议优化水泵选型，提高系统自动控制调节能力，并提供了现场管理人员规范化、科学化以及高效化管理机房。
　　通过以上研究结果表明:单纯靠增大埋管数量不能从根本上有效地解决严寒地区地源热泵系统冬、夏季冷热负荷不平衡的问题。而要使地源热泵系统在严寒地区保持较高的运行效率应从维持地下全年热平衡角度出发，以满足夏季负荷需求为主要指标来设计地埋管数量，冬季多余负荷由辅助热源来承担。如果在偏远地区无合适热源，冬季供热必须全部由地源热泵来承担的项目，应在经济技术条件允许的条件下，采用过渡季或夏季增设地埋管蓄热装置来补充冬季过度取热的损失。但对于这种复合系统的设计应经过详细的模拟优化给出合适的运行控制策略方能解决现有系统存在的问题，否则反而会增加系统的能耗。
　　通过上述改造措施的实施，预计该系统经改造后运行费用将降低40％以上。研究成果将对地源热泵技术在忻州乃至寒冷及严寒地区应用提供理论指导与技术支持。本文提出的系统改进措施或优化方法将进一步提高我国严寒地区在运行的地源热泵系统的运行能效比，为地源热泵在寒冷及严寒地区的推广应用提供合理可行的设计计算方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状和应用分析

1．3 课题研究的主要内容及技术路线图

第二章 测试系统的设计与采集数据的分析

2．1 车站地源热泵系统运行现状分析

2．2 测试系统的设计与安装

2．3 测试数据采集的依据

2．4 测试数据处理与分析

2．5 综合分析

2．6 本章小结

第三章 地源热泵空调系统的后评价研究

3．1 系统后评价简介

3．2 地源热泵系统的后评价研究

3．3 地下热平衡分析

3．4 本章小结

第四章 地源热泵系统节能改造措施及潜力分析

4．1 系统目前存在的问题

4．2 优化改造措施

4．3 本章小结

第五章 地源热泵-空气源热泵复合系统的模拟分析

5．1 策略一模拟分析

5．2 策略二模拟分析

5．3 综合对比

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况