严寒地区空气-土壤复合热源热泵系统运行模拟研究_麻四峰.pdf
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1、可再生能源38节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023严寒地区空气-土壤复合热源热泵系统运行模拟研究麻四峰(沈阳建筑大学,辽宁 沈阳 110168)摘要:以沈阳市某居民住宅建筑作为研究对象,使用DeST软件进行负荷计算,使用Trnsys软件建立空气-土壤复合热源热泵系统的仿真模型,模型模拟运行十年,与常规土壤源热泵模型的模拟结果进行对比。结果显示:空气-土壤复合热源热泵系统能够有效地缓解常规土壤源热泵造成的土壤热量损失问题,保证系统机组长期高效运行,保障热泵系统的供暖效果良好。关键词:土壤源热泵;空气源热泵;复合热源热泵;Trnsys模拟中图分类号:TU83 文献标识码
2、:A 文章编号:1004-7948(2023)05-0038-03 doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.010引言居民对高质量建筑室内热环境的要求逐渐提高,加剧了建筑能耗增长,导致我国建筑运行能耗不断增加。土壤热能作为可再生能源,可以替代其他常规能源以缓解能源紧张问题1-2。由于土壤具有较好的热稳定性,热泵机组以土壤作为低位热能运行时,热泵系统的供暖、制冷效果较好。但严寒、寒冷等地区冬季室外温度较低,导致建筑冬季累积的热负荷远超夏季累积的冷负荷,热泵机组冬季累计从土壤中取走的热量远大于夏季累计排到土壤中的热量,从而出现全年取、排热量失衡问题。长期使用土壤源
3、热泵系统会导致土壤平均温度逐年降低,使土壤源热泵机组系统的运行性能下降,使其供暖能效降低,导致土壤源热泵机组系统无法满足建筑的供暖要求3-4。因此,需要保证土壤的热稳定性,使土壤源热泵保持长期稳定高效运行。空气源热泵具有结构简单、高效节能、环保无污染等优点,可以作为土壤源热泵的复合热源,考虑空气源热泵在气温较低时的性能较差,控制空气源热泵仅在室外气温较高时开启运行进行供暖,保证空气源热泵高效运行。在常规土壤源热泵系统的结构基础上增加空气换热器,构成空气-土壤复合源热泵系统5。室外气温较高时,通过开启空气换热器将空气中的热量转移到温度较低的土壤中,用以抵消土壤被取、放热能的差额,确保地下土壤热平
4、衡6。1空气-土壤复合热源热泵系统原理减少热泵机组从土壤中的取热,并增加对土壤的补热能够有效解决土壤源热泵土壤热失衡问题7。在常规土壤源热泵系统结构的基础上,连接1台空气换热器,构成空气-土壤复合热源热泵系统,以解决土壤热失衡问题。空气-土壤复合热源热泵系统如图1所示。空气-土壤复合热源热泵系统具有3种运行模式:土壤源热泵模式:在夏季空调期以及冬季供暖高峰期,环境温度较低时,由热泵机组与土壤进行换热,土壤源热泵单独承担负荷侧的制冷和供暖需求。空气源热泵模式:在冬季供暖期初期和末期,空气温度较高时,由空气源热泵在保证其能高效运行的情况下承担负荷侧的供暖需求。补热模式:过渡季节的室外空气温度一般高
5、于土壤温度,启动空气热交换器和风机,将空气中的热量通过地埋管换热器蓄存在地埋管周围土壤中,补充由于土壤取放热量不平衡而缺失的热量,可以保障土壤长期的热平衡。2建筑概况与研究方法2.1建筑概况选取沈阳市某居民住宅建筑为研究对象,地处严寒地区。该居民住宅共7层,总建筑面积约4 822 m2,建筑图1空气-土壤复合热源热泵系统作者简介:麻四峰(1998),男,硕士,研究方向为供热、供燃气、通风及空调工程。收稿日期:2022-10-08引用本文:麻四峰.严寒地区空气-土壤复合热源热泵系统运行模拟研究 J.节能,2023,42(5):38-40.可再生能源39NO.05 2023节能 ENERGY CO
6、NSERVATION的主要房间类型有卧室、起居室、厨房、书房、卫生间等。建筑主要围护结构的热工性能系数如表1所示。该建筑房间的供暖季为11月1日至次年3月31日,供暖季室内设计温度为22,空调季为7月1日至8月31日,室内设计温度为26。建筑主要房间类型的空调开启控制时间如表2所示。2.2负荷计算文中采用DeST软件模拟计算建筑负荷,住宅建筑平面图如图2所示。根据图纸以及建筑数据,使用DeST建立建筑模型,建筑负荷计算结果如表3所示。该住宅建筑的冬季累计热负荷远大于夏季累计冷负荷。2.3设备选型由建筑负荷计算结果可知,建筑冬季热负荷计算峰值为371.14 kW,夏季冷负荷峰值为242.56 k
7、W,因此选择两台额定制热量为200 kW的热泵机组。热泵机组制热能效比为4.87,制冷能效比为4.96,可以同时满足建筑冬季供暖、夏季供冷的换热需求。蓄热体土壤的热物性数据受环境影响变化较大,考虑主要影响因素为当地气象条件,所以将土壤的参数设为定值,设定土壤平均导热系数为2.0 W/(m K),平均比热容为2 200 kJ/(m3 K),设定土壤初始温度为10.5。地埋管换热器的结构选型根据蓄热体土壤热物性参数,通过地埋管单位长度换热量估算法计算,设定取热量为40 W/m,埋管间距取5 m,埋管深度取100 m,计算得出地埋管数量为90根。空气换热器传热系数取40 W/(m2 K),通过模拟测
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