夏热冬冷地区混合土壤源热泵系统运行策略研究

来源 :东南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Kimyueyue
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土壤源热泵虽然具有高效节能的优势,但在夏热冬冷地区可能出现岩土温度逐年升高的“热堆积”问题。工程上常采用冷却塔等设备进行辅助散热,构成混合土壤源热泵系统。目前冷却塔运行控制策略多数采用单参数控制模式,本文分析了单参数控制策略,同时提出了多参数耦合控制策略,旨在寻求最优控制策略和最优控制工况点。本文选取南京一栋住宅建筑作为研究对象,主要研究工作有:(1)采用De ST软件对建筑物进行全年逐时空调负荷模拟,根据模拟结果构建并联式混合土壤源热泵系统。(2)使用TRNSYS软件建立混合土壤源热泵运行策略仿真模型,采用实测值对模型的精度进行验证。(3)单参数控制策略模拟:分别采用温度控制策略、温差控制策略模拟不同控制工况点下系统全生命周期总能耗、土壤温度变化、土壤换热量及热泵平均COP,确定最佳控制工况点。(4)多参数耦合控制策略模拟:首先提出温度-温差耦合控制策略,其次考虑负荷季节变化特性,提出制冷期分段温度控制策略、制冷期分段温差控制策略和制冷期分段耦合控制策略,最后分别对各个控制策略的系统运行性能进行模拟。(5)探究土壤温度平衡点对系统全生命周期运行特性的影响,分析系统全生命周期能耗及土壤热平衡响应。通过模拟研究得到如下结果:(1)采用DeST能耗模拟软件,得出该建筑全年最大热负荷为87 k W,全年最大冷负荷为179 k W。全年累计热负荷为69719 k W·h,全年累计冷负荷为140238 k W·h,全年累计冷负荷是全年累计热负荷的2.01倍。(2)单参数控制模拟结果如下,温度控制最佳工况点:土壤源热泵冷却水出口温度高于31.0℃时开启冷却塔,低于30.0℃时关闭冷却塔,系统运行10年累计总能耗为783258 k W·h。温差控制最佳工况点:土壤源热泵冷却水进口温度与室外湿球温度差值高于4.0℃时开启冷却塔,低于3.5℃时关闭冷却塔,系统运行10年累计总能耗为782641k W·h。(3)采用温度-温差耦合控制策略:当保持控制温度一定时,随着控制温差升高,热泵总能耗升高,而冷却塔水泵和冷却塔风机能耗会降低,系统全生命周期能耗呈先下降再升高趋势。当设定热泵冷却水出口控制温度为30.0℃,同时设定冷却水进口控制温差4.0℃时为最优工况点,系统运行10年累计总能耗为768495 k W·h。当保持温度控制点不变时,随着温差设定值增加,系统运行第1年内和10年内的土壤最高平均温度均升高。当保持温差控制点在3.0℃和4.0℃时,温度控制点在29.0℃~31.0℃变化时,土壤在第1年内和第10年内的温升差别不大,控制温差设定越大越不利于土壤热平衡。(4)与单参数温度控制策略比较,采用制冷期分段温度控制策略,系统全生命周期总能耗降低11188 k W·h,土壤逐年最高平均温度降低,其中具有代表性的第1年和第10年内土壤最高平均温度分别降低0.26℃、1.21℃。各个控制策略中,制冷期分段温差控制策略系统全生命周期总能耗最小,单参数温度控制策略系统总能耗最大。在制冷前期和后期单独运行冷却塔,同时在制冷中期采用温度温差耦合控制策略更有利于土壤热平衡。(5)土壤温度平衡点研究:采用制冷期分段耦合控制策略,分别模拟土壤温度平衡点为16℃、17℃、18℃、19℃、20℃,发现土壤温度平衡点设定越高,系统运行10年后土壤温升越小,系统达到热平衡越迅速,但会增加系统全生命周期能耗。采用制冷期分段耦合控制策略更有利于土壤温度稳定,系统热平衡性更好。本文发现,多参数耦合控制策略相比与单参数控制策略土壤热平衡性更好、系统更节能。其中制冷期分段耦合控制策略下土壤热平衡性最好,制冷期分段温差控制策略下系统全生命周期总能耗最小。本文的创新点在于提出了多参数耦合控制策略和研究了土壤温度平衡点对系统运行特性的影响,对土壤源热泵系统节能运行具有指导意义。
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