【毕业学位论文】（Word原稿）可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与示范-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 姓 名： 学 号： 所在院系：软件学院 职业类型：工程硕士 专业领域：项目管理 指导教师： 二 一 三 年 三 月 可再生能源利用与建筑集成关键技术 研究与示范 A in 2013 可再生能源利用与建筑集成关键技术 研究与示范 同济大学 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人 承担。 学位论文作者签名： 年 月 日同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 随着我国能源以及环境形势的日趋严峻 ， 对于太阳能 、 土壤源等可再生能源的利用已经成为国家重点发展和推广的能源利用型式 。 太阳能 热泵系统作为一种以太阳能和土壤源为复合热源的热泵系统 ， 因其具有节能环保等优点 ， 己经越来越受到关注 。 本文以太阳能 分析了 含水土壤层竖井储热的 热湿迁移机理及过程、地 质条件和土壤热物性影响储热损耗的评价方法；研究了 突破太阳能土壤储热耦合地源热泵供热 /热水技术， 设计了太阳能 开发出太阳能跨季节储热建筑供热 /热水系统优化设计软件 ，对太阳能 提出了 地源热泵系统的优化设计方案和控制运行策略 ， 建立 了土壤热特性测试以及地源热泵系统运行动态监测平台， 评价 了小型低风速特性的聚风型风力发电系统作为屋顶能源的可行性，研究评价风光互补系统建筑供电的技术方案和系统设计匹配方案，最终建立了 可再生能源利用与建筑集成示范工程 。对该工程的经济效益 进行了评估，结果表明，该示范性工程具有良好的经济效益和环保效能。 关键词 ：可再生能源，太阳能 仿真分析，软件 设计I s is of a on of of as a of of of of of of to of a a of of a as of a of of of of of 硕士学位论文 目录 录 摘要 . I 第 1 章 引言 . 1 题 的背景和意义 . 1 内外研究现状 . 1 内研究现状 . 2 外研究现状 . 2 文主要内容 . 4 第 2 章 实验室示范系统设计 . 6 筑工程概况 . 6 验示范系统设计 . 6 筑物冷、热负荷计算 . 8 源热泵系统设计 . 9 组与风机盘管选型 . 10 埋管换热器设计 . 10 路设计及泵的选型 . 11 阳能辅助系统设计 . 11 阳集热器面积的计算 . 11 源热泵机组选型 . 12 埋管 换热器的设计 . 13 热水箱容积的确定 . 13 第 3 章 太阳能 . 15 真模型 的建立 . 15 统性能仿真结果及讨论 . 17 第 4 章 太阳能 . 24 据库原理及开 发工具介绍 . 24 据库简介 . 24 发工具简介 . 24 块设计 . 25 统整体模块设计 . 25 个模块数据实体关系 . 26 块实现 . 31 阳能被动利用模块 . 31 然通风和采光模块 . 32 阳能储热供热模块 . 33 同济大学 硕士学位论文 目录 地源热泵供热模块 . 33 型风机发电模块 . 33 第 5 章 系统运行策略及效益评估分析 . 35 热控制策略 . 35 阳能集热控制策略 . 41 制策略结果分析 . 43 统效益评估分析 . 46 第 6 章 结论与展望 . 50 论 . 50 一步工作的方向 . 50 致谢 . 51 参考文献 . 52 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 . 54 第 1 章 引言 题的背景和意义 国家中长期科学和技术发展规划纲要（ 2006）能源重点领域中，提出了 “ 可再生能源低成本规模化开发利用 ” 优先主题，重点研究开发 “ 太阳能建筑一体化技术 ” 、 “ 地热能开发利用技术 ” 、 “ 大型风力发电设备 ” 、 “ 沿海与陆地风电场建设技术与装备 ” 等；纲要 “ 城镇化与城市发展 ” 重点领域中，提出了 “ 建筑节能与绿色建筑 ” 优先主题，重点研究 “ 建筑节能技术与设备 ” 、 “ 可再生能源装置与建筑一体化应用技术 ” 、 “ 建筑节能技术标准 ” 等 1。 太阳能具有低密度、季节和昼夜辐照强度变化大等 特点，跨季节储能技术是实现太阳能全年均衡利用的有效途径和技术关键，以建筑供热或集中热水供应为目标，通过跨季节储存实现夏季能量的冬季利用，从而有效地提高太阳能利用率24。 浅层地热能高效优化利用目标是维持较高的系统长期性能系数（ 而维持全年土壤热平衡是其关键，维持土壤热平衡的关键则是建筑负荷与系统的设计匹配、系统动态监测和运行控制策略优化 5。聚风型风力发电系统因为其独特的空气动力学设计，可以实现低风速启动、运行高效等特点。 本课题研究太阳能建筑一体化设计技术、突破太阳能跨季节土壤热储存 泵耦合的建筑供热 /热水技术、研制出面向分布式供能系统的微（小）型屋顶风机、提出屋顶风能利用适宜性的评价方法，形成以太阳能、（浅层）地热能、风能有效利用为重点的可再生能源利用与建筑集成技术体系，为提高建筑能源需求中可再生能源贡献率提供技术支撑。建设可再生能源利用与建筑集成技术示范工程，建成技术研究平台和示范系统，形成集成技术综合研究以及应用辐射能力。 本课题为建设领域建立基于可再生能源规模化利用的节能减排新模式提供支撑技术和示范平台，对促进可再生能源高效利用、建筑节能等有重要意义。 课题示范工程可再生能源利 用每年可减少 量 210 吨，减少 吨以上。按北方地区每年竣工 2000 万平米建筑，其中 10%采用本示范工程可再生能源利用技术，则可实现年节能量 吨以上，减少 量 吨，减少 放 420 吨以上 ， 具有显著的环境效益。 内外研究 现状 同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 2 内研究现状 我国陆地表面每年接受太阳辐射能相当于 24000 亿吨标准煤 ， 年太阳辐射量超过 500MJ/太阳能资源丰富 我国在建筑领域推广利用太阳能己经走过了 21个年头 ， 太阳能供热水 、 采暖 、 空调 、 供电设施和建筑围 护结构 、 建材结合应用领域等都有了长足的发展 6， 7。 1、 太阳能热技术的应用 我国太阳能热能利用发展较为成熟 ， 已形成较完整的产业体系 ， 成为世界上太阳能集热器最大的生产和使用国 ， 2008 年全国太阳能热水器累积使用已达12500 万 占世界总量的 76%。 3000 多家太阳能热水器生产企业 ， 每年创造的总产值超过 120 亿元 ， 为社会提供了 20 多万个就业机会 。 目前 ， 山东 、 江苏 、海南 、 云南等省 ， 北京 、 上海 、 深圳等市已经在新建 12 层以下居住建筑以及大型公共建筑中开始强制推行太阳能热水系统 ， 预计到 2020 年全国太阳能热水器拥有达到 3 亿 将能替代 3500 万吨标准煤 。 按市场发展估计 ， 使用太阳能热水器 ， 每年将减排的碳量为 2200 万吨左右 。 2、 浅层地热能的应用 随着国家对节能减排 !经济环保的可再生能源不断加大支持力度 ， 扶持浅层地热资源开发利用与促进地源热泵技术应用的相关政策法规先后出台 ， 促使我国在这方面有了较大发展 据不完全统计 ， 截至 2008 年中期 ， 全国地源热泵工程的空调面积约 8000 万扩 ， 从 1995 年 首个 地源热泵项目诞生以来 ， 短短的 10 余年间 ， 我国的地源热泵项目从无到有 ， 从小面积示范到大面积推广 ， 每年正以约20%的速度增长 ， 可以预计中国的地源热泵市场前景广阔。 据统计 ， 我国热泵系统中有 10%的项目采用了地源热泵配置冷却塔的模式 ，部分项目还结合蓄冰技术 ， 太阳能利用以及城市其他能源联供方式 。 这就说明业内在利用热泵的同时努力寻求不同能源互补 ， 以达到对节约能源 !成本 !保护能源供应安全等方面有更深入的认识 据不完全统计 ， 目前 ， 我国的地源热泵企业有300 家左右 ， 其中属于一线品牌的清华同方 、 美意 、 希望深蓝三家企业 2009 年上半年在全国的销量均达到 以上 ， 贝莱特 、 麦克维尔 、 特灵也都在 8000万以上 ； 2009 年上半年二线品牌有相当的市场 ， 销量在 6000 万以上 ； 三线品牌的所占市场份额不多 ， 但也有一定的销量。 外研究现状 国际能源署 (出，建筑物 75%的能源消耗是用于热水供应和房屋采暖 。作为对世界性能源危机的回应，世界各国经过二十多年对太阳能技术的开发和应同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 3 用，其产业化、商品化都有了很大的发展 8。 1、太阳能热技术的应用 太阳能热利用技术就是直接将太阳的辐射能转化为热能的应用，其中太阳能热水器是目前使用最为广泛，技术最成熟的利用方式 。 石油危机促进了上一世纪70 年代末至 80 年代初太阳能热利用的繁荣发展， 2001 年欧盟几个国 家的太阳能热利用累计安装面积达到了 185 万 人均占有集热器面积来看，奥地利以每千人 290m/居首位。上世纪八十年代中期，美国太阳能热水器的安装面积就己超过了 1000 万 阳能热水器的年产值超过 10 亿美元 。 1997 年美国又制定了到 2010 年在 100 万个屋顶上安装太阳能装置的 “ 百万屋顶计划 ” ，日本政府通过对安装太阳能热水器的住户给予其价格一半的财政补贴政策，使太阳能热利用蓬勃健康的发展起来。 2、太阳能光电技术的应用 太阳能光伏发电是最有发展前景的一种可再生能源利用方式，是国外先进国家新能源开发的又一 重点：德国于 1990 年就率先推出了 “ 千栋光伏屋顶计划 ” ，至 1997 年 已 完成近万套屋顶光伏系统，每套容量 1本政府从 1994 年开始实施 “ 七万屋顶计划 ” ，每套容量为 4容量为 2801997 年美国宣布实施 “ 百万屋顶计划 ” 从 1997，将在百万个屋顶上安装容量达到3025光伏系统，并使发电成本降到 6 美分 /据 2008 年世界太阳能市场统计，全球太阳能光伏市场总量为 2007 年增长了 129%，欧洲是全球太阳能市场最重要的地区，其中，西班牙的新装容量最大，居世界第 一位；德国与美国的新装量分列二、三位，分别为 342 3、浅层地热能的应用 上个世纪 70 年代初期，由于石油危机的出现和环境的恶化，促进了人们对新能源的开发和利用，地源热泵以其节能环保的特点开始受到重视 美国的地源热泵发展非常迅速，生产厂家十分活跃，组织成立了全国地源热泵生产商联合会9。 1998 年，美国的商业建筑空调系统中地源热泵系统己占到了 19%，其中在新建建筑中占 30%。据统计，目前全美共安装了 65 万台地源热泵，位居世界第一，一年能节约 1400 万桶石油，并能大幅度减少温室气体的排放，减 排量可达 40%以上，瑞士是世界上应用地源热泵人均占有率最高的国家，也是欧洲范围内地源热泵装机容量最多的国家，建立了世界上最大的海水源热泵站，用于区域供热，占城市中心管网输送总量的 60%日本主要是在别墅和小型建筑中应用土壤源热泵，日本企业新推出的专门为独立别墅设计的小型水源热泵机组，高效节能，极大地推动了地源热泵系统在日本的发展，商业建筑和公共建筑诸如医院、学校中地源热泵系统的应用也有所增加，能源危机和各国政府的重视，使得对地源热泵同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 4 的研究有了长足的发展。 对地热交换器周围土壤热传导率进行分析，研究 表明土壤的传导率与土壤的湿度存在密切的关系；在制冷的情况下，排热速率高对土壤热传导率不利，从而影响传热的效果， 土壤条件和土壤的热传导率对土壤蓄热热泵系统的影响进行了几个季节的研究分析，研究结果表明土壤热传导率 将出现显著的增加 10。 能源危机和各国政府的重视 ， 使得对地源热泵的研究有了长足的发展 。对地热交换器周围土壤热传导率进行分析 ， 研究表明土壤的传导率与土壤的湿度存在密切的关系 ； 在制冷的情况下 ， 排热速率高对土壤热传导率不利 ，从而影响传热的效果 。 土壤条件和土壤的热传导率对土壤蓄热热泵系统的影响进行了几个季节的研究分析 ， 研究结果表明土壤热传导率每增加 1W/热泵储热运行时间就减少 在多层土质的土壤中采用垂直地埋管交换器进行测试 ， 结果显示土质层热传导率是不连续的 ， 粗沙层和细沙层的传热效率比粘土分别高出 62%和 27%。 沙土 ， 淤泥亚粘土 ， 淤泥粘土 ， 在五种不同的相对湿度下 ， 通过计算机对地源热泵系统的 进行了模拟 ， 发现不同的土壤类型和湿度对地源热泵性 能有很大的影响 。 文主要内容 本文主要进行了可再生能源利用与建筑集成关键技术研究并进行了相关的仿真论证，主要内容如下： （ 1）太阳能热利用及太阳能跨季节热储存技术 研究突破太阳能土壤储热耦合地源热泵供热 /热水技术，包括含水土壤层竖井储热的热 湿迁移机理及过程、地质条件和土壤热物性影响储热损耗的评价方法等 。 （ 2）浅层地热能高效优化利用技术 研究提出地源热泵系统的优化设计方案和控制运行策略；建立土壤热特性测试以及地源热泵系统运行动态监测平台。 （ 3）太阳能 设计了太阳能 供热空调系统， 研究开发出太阳能跨季节储热建筑供热 /热水系统优化设计软件。 （ 4）风光互补建筑屋顶能源系统 研究小型聚风型风力发电系统的空气动力学特性、设计结构参数进行研究和优化，并研究评价小型低风速特性的聚风型风力发电系统作为屋顶能源的可行性；研究评价风光互补系统建筑供电的技术方案和系统设计匹配方案。 同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 5 （ 5）建立可再生能源利用与建筑集成示范工程 根据系统的硬件配套和所设计的软件，建立了可再生能源与建筑集成示范工。该 示范工程 5000 平米，示范应用主要技术包括：太阳能建筑一体化技术、太阳能跨季节储热建筑供热技 术、土壤源热泵系统优化技术及监测平台、自然通风技术、被动式太阳能热利用技术、屋顶风能评价技术及聚风型风力发电机组等。 同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 6 第 2 章 实验室示范系统设计 筑工程概况 课题组成员经过多次与设计单位合作协商，制定了各种设计方案，对建筑供能系统提出工艺要求，设计了建筑多热源供能系统， 包括太阳能被动利用、自然通风、自然采光、太阳能储热供热、地源热泵供热空调、小型风机发电示范等 。示范工程 “ 天津某节能实验中心 ” 的设计由北京清华安地建筑设计顾问有限责任公司完成 。 2008 年底完工的示范工程，一直到 2010 年初才开始动工建设。到 2010年底示范建筑主体及供能系统建设完成，在 2011 年初进行了室内设计及装修，以及供能系统的控制监测等系统的安装调试。 天津某节能实验中心位于天津市北辰区（北纬 东经 ，建筑类型是公共建筑。该建筑是综合实验楼，作为可再生能源利用、建筑节能、建筑环境、能源动力等方向的实验室，并作为可再生能源利用的中试示范及研究测试评价的平台。 在该实验中心，可进行太阳能供热技术、土壤源热泵供热空调技术、适宜于可再生能源有效利用的 楼内供能系统输配技术、基于可再生能源利用的多能源建筑供能系统优化控制与运行技术、基于建筑结构设计的被动式自然能利用技术等的示范应用。另外，作为研究平台，结合建筑设计可以构建研究性系统 风光互补屋顶能源系统。在该实验中心可构建能源与环境工程学院的研究性实验平台，包括：清洁燃料高效燃烧技术及灭火防灾技术平台、传热传质原理及强化传热技术平台、建筑环境控制及节能技术平台、能源利用过程中的污染物防治技术平台、太阳能及浅层地热能等新能源的利用技术平台等。建筑面积 4953.4 筑高度 22 米，地上 4 层，朝向为南北向 但偏东 21 度。 验示范系统设计 在该示范建筑中，本项目涉及的实验示范系统主要是建筑多热源供能系统及其控制。下面对该系统的设计进行详细介绍。 同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 7 T a n P 2V 2V 5V 7V 1 1P 4P 3P 5? 2H e a t p u m p u n i t H e a t p u m p u n i t B o r e h o l e h e a t e x c h a n g e r B o r e h o l e h e a t e x c h a n g e r V 1 0B u i l d i n gC i t y w a t e rH o t w a t e r?A i r t e r m i n a l u n i t V 3V 8 V 4V 1V 6? ?N o t e s :P 1 - P 5 d e n o t e p u m p s ;V 1 - V 1 2 d e n o t e e l e c t r i c a l v a l v e 阳能 为了实现太阳能跨季节储热供热和地源热泵的很好结合，太阳能 双机组太阳能耦合地源热泵供热空调系统 ” ，其耦合形式为：部分热负荷由单独太阳能辅助地源热泵系统提供，另一部分热负荷和全部冷负荷由另一台地源热泵机组提供，两台机组分别对 应不同地埋管换热器，但两个系统的供热末端又可以互通互联，这样可以根据一年的实际运行结果调整两个系统的供热负荷比例，保证纯地源热泵地埋管换热器的温度平衡，也可以使太阳能地埋管换热器温度逐年提高，充分利用太阳能，减小系统运行能耗 11。这样可以避免由于建筑实际运行的全年冷负荷和热负荷不能准确计算而产生的问题。该供热空调系统如图 示。图中 示循环泵， 示电动阀。 如前所述，天津某节能实验中心（简称 “ 节能楼 ” ）作为可再生能源建筑的示范建筑，大力把太阳能和浅层地热能及风能等可再生能源利用 到建筑供能系统。供热空调系统分为两子系统：地源热泵（ 称统和太阳能辅助地源热泵（ 称 统。 统分为夏季制冷工况和冬季制热工况，由机组回水温度控制泵 电动阀 实现机组的启停。 统相对复杂一些，全年运行分为几个部分：集热过程、储热过程、太阳能直接供热过同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 8 程和地源热泵供热过程。集热过程由循环泵 控制阀 制，控制 信号来源于集热器出口和水箱出口的温差。储热过程由循环泵 控制阀 4 控制，储热过程的控制信号来源于水箱出口温度和回水温度。冬季供热时分为太阳能直接供热和地源热泵供热两种情况。当太阳能水箱温度高于 40 时，太阳能热水直接供热，当太阳能热水温度低于 40 时，则启动地源热泵供热。太阳能直供过程由循环泵 控制阀 制，控制信号来源于水箱出口温度。地源热泵供热过程由负荷侧循环泵 源侧循环泵 及控制阀 8、 制。与泵 连的控制阀 行 储热时热水从储热体由内而外流过，有利于储热保温，当 行土壤取热时冷水从储热体由外而内流过，有利于取热换热。 筑物冷、热负荷计算 根据采暖通风与空气调节设计规范 (公共建筑节能设计标准（ 0189地源热泵系统工程技术规范（ 太阳能供热采暖工程技术规范（ ，最后确定了太阳能辅助地源热泵系统的设计方案。 节能楼各围护结构热工性能见表 表 能楼外墙热工性能表 外墙 导热系数 W m K 厚度 3聚合物砂浆中间压入一层耐碱玻璃纤网格布 15 厚胶粉聚苯颗粒 5 聚合物砂浆粘贴 100 厚聚苯板 00 1： 3 水泥砂浆找平 0 250 厚陶粒混凝土 50 表 能楼屋面热工性能表 屋面 导热系数 W m K 厚度 弹性体改性沥青防水卷材（ 弹性体改性沥青防水涂料 3 1： 泥砂浆找平 0 强度憎水珍珠岩保温板 00 1： 找平 0 现浇钢筋混凝土板 00 表 2,3 各围护结构综合传热系数 同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 9 维护结构 外墙 屋面 外窗 外门 玻璃幕墙 传热系数 2/ ( )W m K 能楼室内设计参数 办公室、会议室 实验室 门卫、走廊 参数 夏季 冬季 参数 夏季 冬季 参数 夏季 冬季 干球温度 26 20 干球温 度 26 20 干球温 度 26 16 相对湿度 % 55% 50% 相对湿 度 % 55% 50% 相对湿 度 % 55% 50% 根据和 R 得各围护结构综合传热系数如表 示。 根据天津市室外气象参数和室内设计参数（表 并且按照各房间功能要求和可能房间人数分别选取照明密度、设备密度和人 员密度。 照明密度：办公室、会议室等为 11 W/验室 20 W/生间 5 W/ 设备密度：办公室为 13 W/验室 40 W/议室、研究生教室等 5 W/ 人员密度：系主任办公室、学院领导办公室 1 人；学院办公室 8 人；系办公室 8 人；学院办公室 4 人；大实验室 4 人，小实验室 2 人；数据采集中心 1 人；会客室 4 人；布展室 4 人；会议室 40 人；研究生教室 80 人；报告厅 80 人。 室内新风量一般房间按照每人 30m3/h，会议室、教室、报告厅按照每人 15 m3/h 考虑。 最后计算得出建筑总冷负荷 （不含新风）为 风负荷为 计（含新风） 调冷指标为 层的新风总量分别为： 1620、2580、 3030、 2520m3/h。 13 层热负荷（不含新风） 风负荷 计热负荷（含新风） 4 层热负荷（不含新风） 风热负荷 计（含新风） 楼总的热指标为 计新风热指标为 源热泵系统设计 地源热泵系统的设计包括机组、泵、风机盘管等 设备的选型，以及地埋管换热器的设计等。 同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 10 组与风机盘管选型 地源热泵机组的选型根据建筑冷负荷来确定。建筑总冷负荷为 虑 80%的同时使用系数，为选型冷负荷为 取克莱蒙特螺杆机组，额定制冷量 电量 定制热量 电量 空调末端采用风机盘管。采用分布式，每个房间布置一台或多台，可以自由灵活在房间控制风机盘管的启停。根据节能楼的建筑使用功能和气流组织选择开利卧室暗装高静压型风机盘管机组。机组的选 择按各房间显热负荷来选，富裕量，然后按全热校核。按高档风速来选，具体选型如下： 如房间 1001 实验室，根据房间气流组织选用 2 台风机盘管。房间总显热冷负荷为 3575W ， 全 热 冷 负 荷 为 3912W 。单台盘管需提供的显热为3575/2145W。在进风温度 进水温度 7 时，查冷量性能表，确定机组型号为 42，水流量为 8L/压降为 19热制冷负荷为 2410W，全热制冷负荷为 3190W。其他转速下冷量由速度修正系数求得，即中档机组的显热制冷负荷为 2410048W，中档机组的全热制冷负荷为3190775W。 埋管换热器设计 按照热泵机组制冷工况设计地埋管换热器与其匹配。机组制冷量 组功率为 组制冷 23/定制冷工况下需要向地下排热量为 根据热响应测试结果，长期运行的地下换热能力平均为 50W/m，如果设计孔深为 120m，需要打孔 64 口。实际布置 66 口，间距 4 米，正方形布置，分为三组并联，每组两排，所有换热孔间为并联。地源热泵钻 示 12。 同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 11 D e 6 3D e 6 30 . 5 %0 . 5 %D e 6 3D e 6 3D e 6 3D e 6 30 . 5 %0 . 5 %D e 6 3D e 6 30 . 5 %0 . 5 %D e 6 3D e 6 3D e 6 3G r o u p 9 G r o u p 6 G r o u p 3G r o u p 1 0G r o u p 7 G r o u p 4G r o u p 1 1G r o u p 8 G r o u p 5G r o u p 1G r o u p 2e 6 30 . 5 %0 . 5 %0 . 5 %0 . 5 %0 . 5 %0 . 5 %0 . 5 %0 . 5 %0 . 5 %0 . 5 %0 . 5 %0 . 5 % e 6 3D e 6 3D e 6 3D e 6 3D e 6 3D e 6 3D e 6 3D e 6 312345678910111234567891011图 源热泵钻孔布置及管路连接图 路设计及泵的选型 地源热泵系统共有地源侧和空调侧循环水泵两备两用共四台，根据机组流量和系统阻力选择威乐水泵，型号 。 阳能辅助系统设计 太阳能辅助地源热泵系统相对于纯地源热泵系统而言要复杂得多，包括集热器面积和储热水箱容积的确定、地埋管换热器设计、机组选型，管路阻力计算、泵的选型等 阳集热器面积的计算 考虑 经济性和实际使用要求，太阳能集热供热系统采用直接系统形式。太阳集热器最小面积确定原则为：供热期的太阳能直接供热量与储热期太阳能储热使用量（通过地源热泵取出利用）之和 13，等于供热期的建筑物耗热量。所需集热器最小面积的计算公式为： （ 式中： 集热器采光面积， 同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 12 建筑物耗热量， 供热累计时间， s； 基于每平米集热器采光面积的太阳能直接供热量， kJ/ 基于每平米集热器采光面积的地源热泵供热量， kJ/ 地源热泵供热量可由下式计算， （ 式中： 地源热泵制热性能系数； s 当地储热期内集热器采光面上的太阳辐照总量， s 储热期内基于采光面积的集热器平均集热效率， %； L， s 太阳能储热及地源热泵供热过程的热损失率， %。 下角标 h 表示供热期（ 11 月 15 日至次年 3 月 15 日， 121 天）， s 表示储热期（ 3 月 16 日 11 月 14 日， 244 天）。 室内空气温度取为 20，天津供热期室外平均温度按照 取（太阳能供热采暖工程技术规范（ ），与天津采暖室外设计温度（ 相比，计算的建筑物耗热量相当于设计采暖负荷的 65%。 室内采用风机盘管形式，各房间自己控制风机盘管的启停，而节能实验中心作为办公建筑，所以供热空调运行时间可以假定为早上 8 点到晚上 10 点，每天 14 小时。计算所得，在供热期的建筑（第四层）总耗热量为 346054 根据实际规划和建筑设计需要，节能楼建筑屋顶斜面倾角为 25，方位为南向偏东 21，根据 前面针对天津地区集热器斜面集热量的计算分析结果及荐集热面积修正系数，在该倾斜面上的太阳辐照量与正南且倾角为当地维度的条件下总辐照量之比为 99%，对太阳能的热利用几乎没有 影响。 源热泵机组选型 根据供热负荷大小选定热泵机组。要求在完全没有太阳能供热的条件下由地源热泵单独负责建筑供热。由前面建筑热负荷计算得出，择克莱蒙特机组，型号 组制热量 入功率19.7 组制热性能系数为 同济大学 硕士学位论文 可再生能源利用与建筑集成关键技术研究与 示范 13 埋管换热器的设计 地埋管换热器应与地源热泵机组的性能相匹配，满足机组供热的要求，同时满足储热的需要。对地埋换热器换热井群的设计原则为：按照在完全连续阴天时单纯由土壤源热泵来满足供热需要确定地埋管换热器的大小 14。 e 9 0e 9 0D e 9 0D e 9 0色圆表示埋有温度传感器和湿度传感器的钻孔图 阳能辅助地源热泵地埋管换热器钻 孔布置及管路连接 图 在设计条件下，需要地源提供的热量为 了储热的需要，使地埋管换热器组成一个正方形结构，钻孔 25 口，间距 （ 如 图 示）。25 个孔分为三组，中心 9 个为一组，外围 16 个分为两组，每组内并联，各组间串联，使内部温度高而外部温度低，利于热量的蓄积。按照每孔的取热功率为50W/m，确定钻孔深度为 000/(5025)=定钻孔深度为 50 米，太阳能辅助地源热泵地埋管换热器钻孔布置及管路连接如图 2示。为了减小储热土壤通过地面的散热，在蓄热土壤上部填埋 200聚氨酯泡沫材料。 热水箱容积的确定 储热水箱满足太阳能集热系统的短期储热调峰功能，为了保护集热器，其容积的设计原则为： 在太阳能储