可再生能源多源互补供暖系统优化研究

作     者：王其良 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周恩泽

授予年度：2019年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：多源互补供暖系统 太阳能补热 TRNSYS模拟 优化研究 

摘      要：随着社会的快速发展,人类对于能源的需求也不断扩大。2018年,我国一次能源消费量占全球消费总量的23.6%,且能源消费结构中化石能源比重较大。另一方面,随着我国城镇化的高速发展,建筑耗能大幅增长,我国北方地区的冬季供暖能耗约占当地总能耗的30%～40%,消耗了大量化石能源。由此带来的能源危机与环境污染问题刻不容缓。因此,发展利用节能环保的可再生能源和新型供暖技术,对于改善能源结构,减轻环境污染有积极的作用。太阳能资源清洁易得,但不稳定性使其只能考虑作为供暖辅助热源;空气源热泵安装灵活、投资较少,但受室外气温和结霜问题影响较大,难以保证极端环境运行效果;土壤源热泵效率高、运行便宜,但对土壤温度变化敏感,长期运行需采取热平衡措施。在此基础上,本文将三种热利用技术结合在一起,提出一种基于太阳能补热的可再生能源多源互补供暖系统。本文首先以洛阳某生活区建筑为基础,设计了互补供暖系统;其次,利用TRNSYS软件构建了互补供暖系统仿真模型,并对太阳能补热和热泵机组不同启停运行模式进行了模拟分析;再次,利用优化软件对系统关键变量进行了同步优化,得到了优化参数匹配原则;最后,对系统进行了经济性和环境效益分析。论文的主要工作内容如下:（1）分析了既有建筑的用能需求和可利用资源,确定了互补供暖系统的初步适用性;建立了建筑负荷计算模型,计算了建筑热负荷;设计了互补供暖系统,详细地介绍了各个子系统的设计流程和设备选型,优选出了最优的热源匹配方案;给出了基于温差的太阳能补热、集热控制策略和基于室外气温的热泵启停控制策略,对此类系统的工程设计有一定参考意义。（2）在TRNSYS平台上构建了互补供暖系统仿真模型,对太阳能补热和热泵机组不同启停运行模式进行了模拟分析。结果表明有过渡季联合供暖季补热与无补热相比,一年内,地埋管出水温度提高了3.54℃,土壤源热泵COP和系统平均性能系数分别提高了8.7%和4.3%。五年内,土壤温度、土壤源热泵COP和系统平均性能系数三者分别保持在15.07℃、3.82和2.62的较高水平;基于部分负荷率的启停模式相较土壤源热泵为主的启停模式,提升9.9%,相较空气源热泵为主的启停模式,提升12.3%。证实了太阳能补热和热泵启停模式的合理性。（3）在TRNSYS平台上构建了互补供暖系统优化仿真模型,以系统费用年值为优化目标,利用Genopt优化软件和Hooke-Jeeves优化算法对集热器倾角、集热器方位角、集热器面积和蓄热水箱容积这4个关键变量进行了同步优化,得到优化后集热器面积与水箱容积之比稳定在39.7m/L,集热器倾角在当地纬度-6.3°,集热器方位角在1.3°。与优化前相比,优化后的系统累计耗电量减少8.8%,费用年值减少5.22万元。证明优化后的系统具有优势,参数匹配原则可为此类系统的应用设计提供一定指导。（4）以费用年值和污染物排放为评价指标,将优化后的互补供暖系统与常规的四种供暖方式进行了经济性和环境效益比较分析。结果表明,互补供暖系统具有显著的经济性和环境效益。