基于TRNSYS的地表水直供+热泵复合式系统应用研究

摘要

地表水是作为可再生能源的一种，蕴含丰富的天然冷热能，且分布广泛，是一种极具开发潜力的低品位能源宝藏。　　地表水温度由10℃以下到30℃以上分布广泛。但是目前，对于10~20℃水温条件良好的地表滞流水体的利用研究不足。20℃以上的表层水通常使用水源热泵系统；10℃以下的超低温底水层水体使用地表水直供系统；而这两者之间的过渡层水体如何利用，并未有相关研究深入分析。因此在实际工程中尚且无法充分利用这些夏季水温在10~20℃之间水体的天然冷量，变相的造成能源的浪费。如果可以充分发挥其能源品位，将具有巨大的节能潜力。　　为了填补这个方面研究的不足，本文基于温湿度独立控制技术提出了地表水直供+热泵复合式联合运行的新型系统，并对该复合系统进行性能研究。　　首先，介绍了新型复合系统的运行原理，阐述了系统的组成、分析了系统能耗、各子系统承担的热湿负荷与新风量；提出了复合系统在制冷季节和过渡季节的运行逻辑，并建立了复合系统的数学模型。其次，以TRNSYS软件为模拟平台，搭建地表水直供+热泵复合式系统仿真模型。为了进行对比分析，同时搭建了水源热泵系统与空气源热泵系统仿真模型。　　开展复合系统适宜性研究，主要包括两个方面。第一是不同气候区的适宜性研究，在仿真模型中输入了我国不同建筑气候区的六座代表城市的室外气象参数，对比三种冷热源系统的能耗。第二是在不同的水源条件对复合系统性能的影响。利用仿真模型模拟了水源侧不同进水温度下能耗的变化情况，简要分析了其他水源条件如水质、水体热承载能力、取水高差对地表水直供+热泵复合式系统的适宜性影响。　　最后，将地表水直供+热泵复合式系统与空气源热泵、水源热泵系统进行对比，运用TRNSYS模拟、污染物排放数量比较法以及全寿命周期计算法，从节能、环保、经济性三个方面研究复合系统的是否具有性能优势。选取了重庆某拟建宾馆建筑为案例，用上述方法，论证地表水直供-热泵复合系统的在气候、水体条件等方面的可行性。　　结果显示复合系统在我国主要气候区节能效果都优于另外两个系统，节能率是水源热泵系统24%~48%，空气源热泵系统的48%~55%；水温适宜在15~20℃之间；当水源水温初始为20℃时，水源热泵和复合系统的能耗基本相同。研究案例在供冷季结束时，复合系统的能耗、消耗标准煤及各类主要污染物的排放量为水源热泵系统的72.43%，为空气源热泵系统的62.23%。在经济性上，复合式系统、水源热泵和空气源热泵低寿命周期成本LCC依次递增，分别为127.71万元、154.24万元、169.85万元，而且随着使用年限的提高，经济优势相对于空气源热泵会愈发明显。　　综上，本文所研究的地表水直供+热泵复合式系统，在气候与水源条件的适用性较强，适合推广使用。复合系统在节能性、环保性与经济性上相较于水源热泵与空气源热泵系统都具有明显优势。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 水源热泵系统国内外研究现状

1.2.1 水源热泵系统简介

1.2.2 国外研究现状

1.2.3 国内研究现状

1.3 低温地表水直供系统国内外研究现状

1.3.1 低温地表水直供系统简介

1.3.2 国外研究现状

1.3.3 国内研究现状

1.4 研究的目的及内容

1.4.1 论文的研究目的

1.4.2 论文的研究内容

2 新型复合系统的原理与数学模型

2.1 三种传统的地表水应用技术

2.1.1 水源热泵系统

2.1.2 地表低温水直供系统

2.1.3 复合式水源热泵系统

2.2 地表水直供+热泵复合式系统

2.2.1 地表水直供+热泵复合式系统的原理

2.2.2 地表水直供+热泵复合式系统热湿负荷分析

2.2.3 地表水直供+热泵复合式系统的新风量

2.2.4 地表水直供+热泵复合式系统的运行策略

2.3 复合系统的数学模型

2.3.1 热泵机组

2.3.2 输配系统

2.3.3 末端设备

2.4 本章小结

3 系统仿真模型的搭建

3.1 TRNSYS 仿真软件介绍

3.2 仿真模拟的主要模块

3.3 建筑负荷计算

3.4 复合系统仿真模型

3.4.1 仿真模型的简化假设

3.4.2 复合系统仿真模型的搭建

3.4.3 仿真模型系统结构

3.5 本章小结

4 复合系统的适宜性研究

4.1 气候适宜性

4.1.1 气候适宜性的研究方法

4.1.2 气候适宜性的模拟结果

4.1.3 气候对水源水温的影响

4.1.4 气候对复合系统适宜性的研究结论

4.2 适宜水体条件

4.2.1 滞流水体温度分层

4.2.2 滞流水体温度对系统能耗的影响

4.2.3 其他水源因素

4.3 本章小结

5 复合系统性能研究及案例分析

5.1 系统性能研究

5.1.1 系统能耗研究

5.1.2 系统环保性研究

5.1.3 系统经济性研究

5.2 地表水直供+热泵复合式系统案例介绍

5.2.1 项目概况

5.2.2 取水方案

5.2.3 负荷计算

5.2.4 设备选型与修正

5.3 案例适宜性研究

① 建筑类型与气候

② 水温

③ 水位

④ 水质

5.4 案例复合系统性能研究

5.4.1 能耗研究

5.4.2 三种冷热源方案环保性分析

5.4.3 经济性研究

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢