淺析復(fù)合源熱泵技術(shù)水能暖通15楊晶晶01020304目錄背景簡介形式及工作原理國內(nèi)外研究現(xiàn)狀技術(shù)優(yōu)勢及待解決問題05未來技術(shù)路線1.背景簡介1.1我國面臨的嚴(yán)峻形勢隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國面臨能源與環(huán)境問題的雙重挑戰(zhàn)。一方面，我國能源資源短缺,能源需求持續(xù)上漲，能源結(jié)構(gòu)需要戰(zhàn)略性調(diào)整；另一方面，環(huán)境問題日益受到社會(huì)的關(guān)注，正逐漸上升到全球安全的高度。發(fā)展高效、清潔、低碳的能源，增加可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比重已納入我國能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃中。我國社會(huì)總能耗約30%來源于建筑，暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗約50%，占社會(huì)總能耗約15%，暖通空調(diào)領(lǐng)域的節(jié)能減排對整個(gè)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。1.2地源熱泵技術(shù)地源熱泵技術(shù)利用土壤、地下水、地表水等淺層地?zé)崮苜Y源滿足建筑物空調(diào)、采暖和供熱水等多種需求，是可再生能源建筑的重要技術(shù)之一。地源熱泵可以利用少量的高品位能源(如電能)，通過熱力循環(huán)將熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體作為一種有效的可再生能源利用形式。穩(wěn)定性經(jīng)濟(jì)性02可持續(xù)性0301地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)有著顯著的優(yōu)越性初投資及能源政策問題土壤熱物性測試的準(zhǔn)度

土壤熱堆積問題施工質(zhì)量問題地源熱泵技術(shù)在得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，尚存一些技術(shù)性問題2.形式及工作原理2.1復(fù)合源熱泵技術(shù)研究起源地源熱泵(GSHP)作為熱泵應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)分支,因其節(jié)能性及與環(huán)境的友好性而倍受世界各國的青睞,且呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭,目前已被越來越多的國家所采用。然而,GSHP因其自身的特點(diǎn)而有其適用的最佳地域范圍,即夏熱冬冷且冷熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)。為了進(jìn)一步擴(kuò)大GSHP的適用地域范圍,針對一些特定氣候條件的混合地源熱泵系統(tǒng)(HybridGroundSourceHeatPumpSystem)也應(yīng)運(yùn)而生。2.2HGSHPS的形式及其工作原理所謂復(fù)合源熱泵系統(tǒng),是指地源(埋地?fù)Q熱器)加上其它的輔助散熱或加熱裝置的熱泵系統(tǒng)。目前比較常見的混合系統(tǒng)主要有兩種形式:一種是帶有冷卻塔補(bǔ)充散熱的冷卻塔-地源熱泵系統(tǒng),主要適用于以夏季空調(diào)為主的南方氣候地區(qū);一種是帶有太陽能集熱器輔助加熱的太陽能-地源熱泵系統(tǒng),主要適用于以冬季采暖為主的北方氣候地區(qū)。2.2.1冷卻塔-地源熱泵系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由地下埋管換熱系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)及冷卻塔輔助散熱系統(tǒng)三部分構(gòu)成。該混合系統(tǒng)的工作原理是:冬季利用埋地盤管從土壤中的取熱作為低位熱源,通過熱泵提升后向房間供熱;夏季室內(nèi)余熱的排除由埋地盤管向土壤中的放熱與冷卻塔的散熱來共同承擔(dān),這樣即可實(shí)現(xiàn)全年埋地盤管從土壤中的取熱量與向土壤中的放熱量的大致平衡。冷卻塔-地源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖2.2.2太陽能-地源熱泵系統(tǒng)該系統(tǒng)主要由太陽能集熱系統(tǒng)、地下埋地盤管換熱系統(tǒng)及熱泵工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)三部分構(gòu)成。該混合系統(tǒng)的工作原理是：夏季空調(diào)時(shí),以土壤源作為冷源將空調(diào)房間內(nèi)的余熱通過埋地盤管釋放至土壤中,同時(shí)將部分熱量蓄存于土壤中以備冬季采暖用;冬季采暖時(shí),以太陽能及土壤中夏季蓄存的部分熱量作為低位熱源直接或間接通過熱泵提升后供給采暖用戶,同時(shí),在土壤中蓄存部分冷量以備夏季空調(diào)用;夏季與過渡季節(jié),太陽能集熱器主要用于提供生活用熱水。3.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1912年，瑞士人佐伊首次提出的利用土壤作為熱泵熱源的專利設(shè)想，標(biāo)志著地源熱泵研究的開始1995年，ASHRAE

首次闡明混合地源熱泵系統(tǒng)在大型商用及公共建筑中的優(yōu)勢1996年，Gilbreath

對一個(gè)混合地源熱泵系統(tǒng)實(shí)例建筑進(jìn)行分析，提出了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性建議；1998

年，Kavanaugh對設(shè)計(jì)輔助散熱裝置容量的方法進(jìn)行了補(bǔ)充修訂；2005年，王景剛等進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果表明輔助冷卻地源熱泵系統(tǒng)在解決地下土壤“熱堆積”、減少系統(tǒng)初投資、改善機(jī)組運(yùn)行性能等方面具有突出優(yōu)勢2007年，王景剛等通過分組實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)不同運(yùn)行控制方式對地源熱泵機(jī)組和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能和運(yùn)行能耗的影響2007年，遲玉霞等通過對輔助冷卻復(fù)合式地源熱泵地下溫度場的研究，根據(jù)土壤溫度場的恢復(fù)情況來確定輔助散熱量，為復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng)的推廣提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)；2008年，黃武剛對上海某公共建筑土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，闡述了閉式冷卻塔輔助冷卻裝置的優(yōu)點(diǎn)，并表明了閉式冷卻塔土壤源熱泵聯(lián)合運(yùn)行較原系統(tǒng)節(jié)能性的提高。2000年，Chiasson.A.D

等人對以淺水池作為輔助冷卻裝置的復(fù)合地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了模擬研究；2000年，Yavuzturk和Spitler對一棟小型辦公建筑，構(gòu)建了TRNSYS仿真模擬平臺(tái)，用系統(tǒng)模擬的方法分析了各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)；2010年張宏弢通過對冷卻塔數(shù)值模擬，闡述了冷卻塔運(yùn)行特性對系統(tǒng)性能的影響；2011年，王雷通過對武漢地區(qū)復(fù)合土壤源熱泵系統(tǒng)采用Fluent模擬平臺(tái)，對輔助冷卻系統(tǒng)進(jìn)行為期兩年的運(yùn)行模擬和傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真；2013年，馬文涓以上海某一辦公建筑為例進(jìn)行研究，利用GLD2012軟件和TRNSYS

模擬平臺(tái)對冷卻塔輔助地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬；2014年，成恒生等利用TRNSYS軟件為平臺(tái)對長沙、上海、武漢等不同地區(qū)進(jìn)行分析，為合理選擇不同地區(qū)的運(yùn)行方式提供了參考。常用軟件簡介OriginTRNSYSFLUENTDESTDEST軟件建筑逐時(shí)負(fù)荷模擬計(jì)算FLUENT軟件建筑群流場模擬計(jì)算TRNSYS軟件系統(tǒng)仿真模擬模擬結(jié)果顯示ORIGIN軟件數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件分水器集水器實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件板式換熱器輔助冷卻塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)條件空調(diào)末端加熱水箱太陽能集熱器地源熱泵系統(tǒng)加熱水箱內(nèi)置兩組加熱器，實(shí)驗(yàn)中用以模擬熱源數(shù)據(jù)采集儀器熱電偶流量計(jì)數(shù)據(jù)記錄儀數(shù)據(jù)采集儀4.技術(shù)優(yōu)勢及待解決問題BDACE符合可持續(xù)發(fā)展的需要運(yùn)行費(fèi)用低、節(jié)能效果顯著可實(shí)現(xiàn)建筑一體化設(shè)計(jì)占地面積小、節(jié)省初投資功能多樣化、調(diào)節(jié)靈活BDFACE太陽能集熱器動(dòng)態(tài)性能仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)高額初投資換熱器傳熱傳質(zhì)模型不同氣候、不同運(yùn)行模式性能的可靠性待解決問題5.未來技術(shù)路線復(fù)合源熱泵系統(tǒng)的研究目前在我國尚屬于起步階段，基本上停留在一些概念上的認(rèn)識(shí)與系統(tǒng)可行性的分析上，并無實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)。而國外在這方面作了不少的研究，因此，可以在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，先加強(qiáng)一些基礎(chǔ)性研究，然后逐步向適用化方向轉(zhuǎn)化，目前可以重點(diǎn)放在以下幾方面：①不同的地區(qū)，其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式不盡相同，從而所導(dǎo)致的運(yùn)行效率也不一樣。因此，應(yīng)該加強(qiáng)對不同氣候地區(qū)、不同建筑類型HGSHPS適應(yīng)性與運(yùn)行方式的探討與研究。②HGSHPS比較龐大，其運(yùn)行的性能不僅與控制條件有關(guān)，而且與系統(tǒng)各部件的相互耦合與匹配性、建筑物的負(fù)荷特性及室外氣象參數(shù)等緊密相連。要對這一復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行狀況有全面了解，必須進(jìn)行相應(yīng)的模擬研究，并開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算軟件模擬其運(yùn)行狀況，以為設(shè)計(jì)、研究及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)在不同氣候地區(qū)、不同控制條件下相互匹配性的研究。③控制策略對于HGSHPS的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、初投資及其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有很大的影響，對于不同的氣候地區(qū)，為了達(dá)到最佳的運(yùn)行效果與最小的初投資，其控制策略不同。因此，必須大力加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)在不同地區(qū)最佳控制方案及其相應(yīng)的自動(dòng)控制技術(shù)方面的研究，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的自動(dòng)優(yōu)化，從而達(dá)到最佳的運(yùn)