浅析复合源热泵技术 杨晶晶

浅析复合源热泵技术水能暖通15杨晶晶01020304目录背景简介形式及工作原理国内外研究现状技术优势及待解决问题05未来技术路线1.背景简介1.1我国面临的严峻形势随着国民经济的持续发展，我国面临能源与环境问题的双重挑战。一方面，我国能源资源短缺,能源需求持续上涨，能源结构需要战略性调整；另一方面，环境问题日益受到社会的关注，正逐渐上升到全球安全的高度。发展高效、清洁、低碳的能源，增加可再生能源在能源结构中的比重已纳入我国能源发展“十三五”规划中。我国社会总能耗约30%来源于建筑，暖通空调系统能耗占建筑总能耗约50%，占社会总能耗约15%，暖通空调领域的节能减排对整个社会的可持续发展至关重要。1.2地源热泵技术地源热泵技术利用土壤、地下水、地表水等浅层地热能资源满足建筑物空调、采暖和供热水等多种需求，是可再生能源建筑的重要技术之一。地源热泵可以利用少量的高品位能源(如电能)，通过热力循环将热量从低温物体转移到高温物体作为一种有效的可再生能源利用形式。稳定性经济性02可持续性0301地源热泵空调系统较常规空调系统有着显著的优越性初投资及能源政策问题土壤热物性测试的准度

土壤热堆积问题施工质量问题地源热泵技术在得到广泛应用的同时，尚存一些技术性问题2.形式及工作原理2.1复合源热泵技术研究起源地源热泵(GSHP)作为热泵应用技术领域的一个分支,因其节能性及与环境的友好性而倍受世界各国的青睐,且呈现出良好的发展势头,目前已被越来越多的国家所采用。然而,GSHP因其自身的特点而有其适用的最佳地域范围,即夏热冬冷且冷热负荷相当的地区。为了进一步扩大GSHP的适用地域范围,针对一些特定气候条件的混合地源热泵系统(HybridGroundSourceHeatPumpSystem)也应运而生。2.2HGSHPS的形式及其工作原理所谓复合源热泵系统,是指地源(埋地换热器)加上其它的辅助散热或加热装置的热泵系统。目前比较常见的混合系统主要有两种形式:一种是带有冷却塔补充散热的冷却塔-地源热泵系统,主要适用于以夏季空调为主的南方气候地区;一种是带有太阳能集热器辅助加热的太阳能-地源热泵系统,主要适用于以冬季采暖为主的北方气候地区。2.2.1冷却塔-地源热泵系统该系统主要由地下埋管换热系统、热泵系统及冷却塔辅助散热系统三部分构成。该混合系统的工作原理是:冬季利用埋地盘管从土壤中的取热作为低位热源,通过热泵提升后向房间供热;夏季室内余热的排除由埋地盘管向土壤中的放热与冷却塔的散热来共同承担,这样即可实现全年埋地盘管从土壤中的取热量与向土壤中的放热量的大致平衡。冷却塔-地源热泵系统结构原理图2.2.2太阳能-地源热泵系统该系统主要由太阳能集热系统、地下埋地盘管换热系统及热泵工质循环系统三部分构成。该混合系统的工作原理是：夏季空调时,以土壤源作为冷源将空调房间内的余热通过埋地盘管释放至土壤中,同时将部分热量蓄存于土壤中以备冬季采暖用;冬季采暖时,以太阳能及土壤中夏季蓄存的部分热量作为低位热源直接或间接通过热泵提升后供给采暖用户,同时,在土壤中蓄存部分冷量以备夏季空调用;夏季与过渡季节,太阳能集热器主要用于提供生活用热水。3.国内外研究现状1912年，瑞士人佐伊首次提出的利用土壤作为热泵热源的专利设想，标志着地源热泵研究的开始1995年，ASHRAE

首次阐明混合地源热泵系统在大型商用及公共建筑中的优势1996年，Gilbreath

对一个混合地源热泵系统实例建筑进行分析，提出了优化系统设计的合理性建议；1998

年，Kavanaugh对设计辅助散热装置容量的方法进行了补充修订；2005年，王景刚等进行实例分析，结果表明辅助冷却地源热泵系统在解决地下土壤“热堆积”、减少系统初投资、改善机组运行性能等方面具有突出优势2007年，王景刚等通过分组实验来评价不同运行控制方式对地源热泵机组和整个系统的运行性能和运行能耗的影响2007年，迟玉霞等通过对辅助冷却复合式地源热泵地下温度场的研究，根据土壤温度场的恢复情况来确定辅助散热量，为复合式地源热泵系统的推广提供理论和实验依据；2008年，黄武刚对上海某公共建筑土壤源热泵系统进行设计研究，阐述了闭式冷却塔辅助冷却装置的优点，并表明了闭式冷却塔土壤源热泵联合运行较原系统节能性的提高。2000年，Chiasson.A.D

等人对以浅水池作为辅助冷却装置的复合地源热泵系统进行了模拟研究；2000年，Yavuzturk和Spitler对一栋小型办公建筑，构建了TRNSYS仿真模拟平台，用系统模拟的方法分析了各种控制方式的优缺点；2010年张宏弢通过对冷却塔数值模拟，阐述了冷却塔运行特性对系统性能的影响；2011年，王雷通过对武汉地区复合土壤源热泵系统采用Fluent模拟平台，对辅助冷却系统进行为期两年的运行模拟和传统系统的仿真；2013年，马文涓以上海某一办公建筑为例进行研究，利用GLD2012软件和TRNSYS

模拟平台对冷却塔辅助地源热泵系统进行仿真模拟；2014年，成恒生等利用TRNSYS软件为平台对长沙、上海、武汉等不同地区进行分析，为合理选择不同地区的运行方式提供了参考。常用软件简介OriginTRNSYSFLUENTDESTDEST软件建筑逐时负荷模拟计算FLUENT软件建筑群流场模拟计算TRNSYS软件系统仿真模拟模拟结果显示ORIGIN软件数据处理实验台条件实验台原理图实验台条件实验台条件实验台条件分水器集水器实验台条件板式换热器辅助冷却塔实验台条件空调末端加热水箱太阳能集热器地源热泵系统加热水箱内置两组加热器，实验中用以模拟热源数据采集仪器热电偶流量计数据记录仪数据采集仪4.技术优势及待解决问题BDACE符合可持续发展的需要运行费用低、节能效果显著可实现建筑一体化设计占地面积小、节省初投资功能多样化、调节灵活BDFACE太阳能集热器动态性能仿真与优化设计高额初投资换热器传热传质模型不同气候、不同运行模式性能的可靠性待解决问题5.未来技术路线复合源热泵系统的研究目前在我国尚属于起步阶段，基本上停留在一些概念上的认识与系统可行性的分析上，并无实际的工程经验。而国外在这方面作了不少的研究，因此，可以在借鉴国外研究成果的基础上，先加强一些基础性研究，然后逐步向适用化方向转化，目前可以重点放在以下几方面：①不同的地区，其系统的设计、运行方式不尽相同，从而所导致的运行效率也不一样。因此，应该加强对不同气候地区、不同建筑类型HGSHPS适应性与运行方式的探讨与研究。②HGSHPS比较庞大，其运行的性能不仅与控制条件有关，而且与系统各部件的相互耦合与匹配性、建筑物的负荷特性及室外气象参数等紧密相连。要对这一复杂系统的运行状况有全面了解，必须进行相应的模拟研究，并开发相应的计算软件模拟其运行状况，以为设计、研究及应用奠定基础，并在此基础上加强整个系统在不同气候地区、不同控制条件下相互匹配性的研究。③控制策略对于HGSHPS的设计、运行、初投资及其运行的经济性有很大的影响，对于不同的气候地区，为了达到最佳的运行效果与最小的初投资，其控制策略不同。因此，必须大力加强整个系统在不同地区最佳控制方案及其相应的自动控制技术方面的研究，以实现整个系统运行状况的自动优化，从而达到最佳的运