夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统运行策略的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 4.32MB 74 页 15积分

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摘要

随着我国经济发展和人民生活水平的提高，夏热冬冷地区的建筑供暖需求问

题日益显著。地源热泵系统与传统供暖系统相比，可实现能源、经济和环境的协调

发展，符合能源可持续发展战略。然而，在南方地区单一地使用地源热泵会造成地

下热堆积问题，因此复合式地源热泵应运而生。现阶段的复合式地源热泵系统主要

是通过增加辅助散热装置实现维持土壤热平衡的目的，但这些辅助装置的增加会

引起相应的循环、动力设备的增加，系统比较复杂。针对这种情况，考虑到空气源

热泵在夏热冬冷地区的成熟应用，在维持地源热泵系统土壤热平衡的前提下，本课

题将介绍一种新型的地源与空气源热泵联合运行空调系统在夏热冬冷地区（以上

海地区为例）的应用，并对其运行控制策略展开研究。

本文首先阐述了满足夏热冬冷地区冬季采暖需求的地源与空气源热泵联合空

调系统的设计方法，即按照冬季最大热负荷选取地源热泵机组容量，空气源热泵机

组容量按照夏季最大冷负荷与地源热泵所能提供的制冷量差额选取。随后，介绍了

目标建筑的地源与空气源热泵联合空调系统的实验台并对目标系统在冬夏季的运

行进行了实测分析，得出系统模糊控制策略，即在空气源热泵夏季制冷优先运行的

前提下，以合理的方式或条件将制冷系统优先次序切换为地源热泵优先运行，这样

不但有利于维持土壤的热平衡，而且有利于提升系统即时运行能效。

最后通过基于 TRNSYS 的地源与空气源热泵联合空调系统仿真模型的构建，

对夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统进行 10 年运行的仿真模拟。在不

同控制策略（时间控制、温度控制、温差控制）设定值下对仿真模型进行模拟，并

分析系统年平均能耗以及 10 年末土壤的温度两个重要参数，得出各类控制策略的

最优设定值，为实际工程应用提供了运行控制方法和指导。

关键词：地源热泵空气源热泵夏热冬冷地区运行控制策略

ABSTRACT

With the improvements of economic development and people’s living standard, the

requirements for heating in hot summer and cold winter zone are more and more urgent.

Compared with the conventional heating systems, ground source heat pump (GSHP)

system is far more energy-efficient, economical and environmental-friendly. However,

the only application of GSHP in southern region of China may cause the problem of heat

accumulation underground, which led to the emergency of hybrid ground source heat

pump system. To maintain the balance of soil, devices used to dissipate some heat are

needed in the current hybrid ground source heat pump system, but extra pumps and

corresponding loops will be increased at the same time, which may make the system a

little more complex. Considering the extensive use of air source heat pump in hot summer

and cold winter zone, a new air-conditioning system which combine the GSHP and ASHP

will be introduced in this thesis, what’s more, the operation control strategies will also be

studied.

To begin with, the design method of the new combining ground source and air source

heat pump air-conditioning system in hot summer and cold winter zone will be presented,

which is choosing the type of ground source heat pump according to the maximum

heating load in winter, and choosing the type of air source heat pump on the basis of the

volume difference between the maximum cooling load in summer and the GSHP’s

cooling ability. Then, the experiments on the operation of the new system will be done in

both summer and winter. After analyzing the experimental results, a fuzzy control strategy

is concluded, which is the air source heat pump takes priority of running in most of

cooling time unless under some special conditions, and in those conditions the ground

source heat pump will take the priority of undertaking the cooling load. In this way, not

only is it beneficial to the heating balance of the soil, but also it will enhance the

systematical efficiency.

At last, on the basis of simulation software—TRNSYS, a combining GSHP and

ASHP air-conditioning simulation system will be created and then simulated under

different control strategies, including time control strategy, temperature control strategy

and differential temperature control strategy for ten years. After simulating and analyzing

the two significant parameters: system annual energy consumption and the soil

temperature at the end of the 10th year, we can get the optimal value of each type of

control strategy, which I think will provide guidance for practical engineering.

Key Words: Ground source heat pump, Air source heat pump, Hot

summer and cold winter zone, Operation control strategy

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

1.1 研究背景 ...................................................... 1

1.1.1 夏热冬冷地区住宅对供暖的诉求 ............................... 1

1.1.2 热泵技术在夏热冬冷地区的应用 ............................... 2

1.2 国内外研究现状 ................................................ 3

1.2.1 地源热泵技术的研究现状 ..................................... 3

1.2.2 复合式地源热泵系统研究现状 ................................. 5

1.2.3 复合式地源热泵系统运行策略的研究现状 ....................... 7

1.3 本课题研究内容 ................................................ 8

第二章夏热冬冷地区地源与空气源热泵联合空调系统的设计研究 ......... 10

2.1 夏热冬冷地区的气候特点 ....................................... 10

2.2 目标建筑物的负荷特性分析 ..................................... 11

2.3 目标地源与空气源热泵联合空调系统的形式及其设计方法的研究 ..... 13

2.3.1 目标地源与空气源热泵联合空调系统的应用形式 ................ 13

2.3.2 目标地源与空气源热泵联合空调系统的设计方法 ................ 15

2.4 本章小结 ..................................................... 16

第三章地源与空气源热泵联合空调系统的运行性能实测及运行策略分析 .... 17

3.1 地源与空气源热泵联合空调系统的实验平台介绍 ................... 17

3.2 地源与空气源热泵联合空调系统夏季制冷运行工况的实测分析 ....... 20

3.3 地源与空气源热泵联合空调系统冬季制热运行工况的实测分析 ....... 25

3.4 地源与空气源热泵联合空调系统控制策略优化方案分析 ............. 26

3.5 本章小结 ..................................................... 27

第四章地源与空气源热泵联合空调系统仿真模型构建及验证 .............. 29

4.1 TRNSYS 软件简介 ............................................... 29

4.2 地源和空气源热泵联合空调系统 TRNSYS 仿真数学模型 .............. 30

4.2.1 地埋管换热器模型 .......................................... 31

4.2.2 地源热泵机组模型 .......................................... 37

4.2.3 空气源热泵机组模型 ........................................ 40

4.3 地源与空气源热泵联合空调系统仿真模型的建立 ................... 42

4.4 地源与空气源联合热泵系统仿真模型的实测验证 ................... 44

4.4.1 典型夏季制冷工况下的实测验证 .............................. 44

4.4.2 典型冬季制热工况下的实测验证 .............................. 47

4.5 本章小结 ..................................................... 48

第五章不同控制策略下地源与空气源热泵联合空调系统运行模拟及分析 .... 49

5.1 不采用控制策略的系统运行分析 ................................. 50

5.2 切换时间控制运行策略分析 ..................................... 52

5.3 室外空气干球温度控制运行策略分析 ............................. 55

5.4 室外空气干球温度与地埋管出水温度温差控制运行策略分析 ......... 58

5.5 三种控制策略比较分析 ......................................... 61

5.6 本章小结 ..................................................... 63

第六章结论与展望 .................................................. 64

6.1 结论 ......................................................... 64

6.2 展望 ......................................................... 65

参考文献 ........................................................... 67

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 70

一、论文 ......................................................... 70

二、专利 ......................................................... 70

三、科研项目 ..................................................... 70

致谢 ............................................................... 71

第一章绪论

1.1 研究背景

近些年，随着国民经济的巨大发展，人们对建筑物舒适性的要求越来越高，这

也就导致了夏热冬冷地区的供暖需求问题日趋显著，特别是在经历了 2008 年数次

“冷冬”之后，各界对“南方供暖”问题讨论的更为激烈。然而，能源紧张与环境

破坏已成为限制人类发展和威胁人类生存的重大阻碍。相关数据表明，如今我国建

筑能耗已占总能耗量的 30%左右，而在城市民用建筑中，空调能耗约占整个建筑

能耗的 50%~60%，尤其是在我国的南方城市，夏季不仅温度高而且持续时间较长，

故空调能耗较大。因此，为了缓解能源短缺的矛盾，研究和探讨南方地区高效的供

暖空调系统意义重大[1]。

1.1.1 夏热冬冷地区住宅对供暖的诉求

我国夏热冬冷地区主要分布在长江流域（西起四川盆地、东至长江入海口上海

市），涉及上海、重庆、湖北、湖南、四川等 16 个省、市、自治区，占我国陆地面

积的 15%左右。夏季，该地区最明显的气候特点为炎热潮湿；冬季，该地区最明显

的气候特点为阴冷潮湿，最冷月平均气温不足 10℃，平均相对湿度却高达约 80%。

虽然该地区处于纬度相对较低的地方，其冬季日照率却较低，仅为 20%~40%,低于

我国北方多数地区日照率 60%[2]。以累年日平均温度小于 5℃的时间指标来衡量的

话，这类地区基本上都属于《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736—

2012）所规定的“宜设置供暖设施”的地区。

重庆大学付祥钊等人在四川、湖南、浙江等 7省的 24 个城市进行的冬季住宅

热环境质量的调查研究表明，倘若室内无任何供暖措施，室内空气温度低于 10℃

的频率高达 78%，且当室内空气温度低于 10℃时，长时间坐着的人员有 91%以上

生理上会感觉到冷；不久坐的人员也有约 47%生理上会感到冷[3]。东华大学的吕静

也进行了类似状况的冬季室内热环境实测，结果表明室内空气日平均干球温度低

于12℃的频率高达 85%，室内空气相对湿度在 60%到80%之间，这样也就导致了

平均 PMV 值仅为-2.4，远低于热舒适环境要求的 PMV 范围-0.5~0.5[4]。

夏热冬冷地区住宅冬季室内恶劣的热环境会导致发生感冒、发烧、呼吸道感染

等疾病的概率升高。近年来该地区冬季极端寒冷天气的多次出现使得人们更加关

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摘要：

摘要随着我国经济发展和人民生活水平的提高，夏热冬冷地区的建筑供暖需求问题日益显著。地源热泵系统与传统供暖系统相比，可实现能源、经济和环境的协调发展，符合能源可持续发展战略。然而，在南方地区单一地使用地源热泵会造成地下热堆积问题，因此复合式地源热泵应运而生。现阶段的复合式地源热泵系统主要是通过增加辅助散热装置实现维持土壤热平衡的目的，但这些辅助装置的增加会引起相应的循环、动力设备的增加，系统比较复杂。针对这种情况，考虑到空气源热泵在夏热冬冷地区的成熟应用，在维持地源热泵系统土壤热平衡的前提下，本课题将介绍一种新型的地源与空气源热泵联合运行空调系统在夏热冬冷地区（以上海地区为例）的应用，并对其运行...

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