净零能耗建筑互补供热耦合系统及末端设计参数优化分析

作     者：王茜如 

作者单位：沈阳建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯国会;黄凯良

授予年度：2022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：净零能耗建筑 互补供热耦合系统 设计参数优化 末端匹配性 

摘      要：能源问题一直是人类发展进程中的热点问题和关键因素之一。降低能源消耗、提升可再生能源利用效率已成为保障国家能源安全、减少温室气体排放和推动生态环境质量改善的重要措施。针对净零能耗建筑与供热系统不匹配造成的室内温度过高、热舒适性较差和能源浪费等问题,对净零能耗建筑互补供热耦合系统及末端散热设备进行分析并优化其设计参数。以沈阳地区某净零能耗建筑为研究对象,在TRNBuild程序中建立建筑模型,使用TRNSYS软件计算其热负荷。提出了两种互补供热耦合系统,经过对比分析,太阳能耦合土壤源热泵系统的运行效果优于太阳能耦合空气源热泵系统,以全生命周期成本最低为目标函数,以蓄热水箱温度达标为约束条件,使用Gen Opt程序和Hooke-Jeeves算法优化系统关键设计参数。研究地面辐射供暖末端设计参数对供热系统和室内热舒适的影响,分析参数间的最优匹配模式,提出“舒适供水温度的概念,研究其与室外温度的关系,提出供水温度线性调节方法。分析净零能耗建筑使用散热器低温供暖的可行性,对散热器低温供暖进行经济性分析。研究结果表明,该净零能耗建筑最大热指标为38.03W/m。在约束条件下,增加太阳能集热器面积可以有效减小地埋管长度,优化后系统成本降低49.84%,系统耗电量降低12.1%。净零能耗建筑使用地面辐射供暖末端时,供水温度对室内热舒适的影响大于盘管间距。当供水温度为30℃,与45℃相比热泵COP提升12.57%,供热系统耗电量降低6.13%,建议增大盘管间距至300～400mm,室外温度较高时供水温度降低为30～35℃。当室外温度(t)为-20℃～-3℃时,舒适供水温度与室外温度存在T=28.8-0.6t的线性关系。对供水温度进行线性调节后,供暖季室内热舒适性始终为Ⅰ级,供热系统耗电量降低。净零能耗建筑使用散热器供暖在60℃/45℃的低温工况下可行,供水温度对热泵COP的影响大于供回水温差。5年总费用最低的工况为60℃/55℃,10年总费用最低的工况为40℃/35℃,随着运行年限的增加,散热器低温供暖的经济性优势逐渐增大,供水温度高且供回水温差大的工况不具有经济性优势。本文从供热系统形式、系统关键设计参数、末端设计参数和匹配性等方面对净零能耗建筑互补供热耦合系统进行了优化,降低了系统成本,提升了系统COP,提高了室内热舒适性,为净零能耗建筑应用互补供热耦合系统的工程设计提供了参考。