1、书书书?基金项目?国家自然科学基金项目?基于超低能耗建筑的浅层土壤水平埋管地源热泵系统动态热响应与优化设计研究?第一作者简介?鞠恒金?男?硕士生?研究方向为超低能耗建筑技术?通信作者简介?李祥立?男?副教授?博士?研究方向为近零能耗建筑技术?人体热舒适研究?分布式建筑能源系统与优化?收稿日期?修回日期?超低能耗建筑水平地埋管地源热泵系统优化鞠恒金?李祥立?常?畅?张宝龙?大连理工大学 土木工程学院?辽宁 大连?摘?要?以某超低能耗居住建筑为例?利用?软件搭建水平地埋管地源热泵系统仿真模型?结合实际用户负荷需求?以系统费用年值最低为目标函数?选取热泵机组供水温度为优化变量?采用?算法对地源热泵系
2、统进行优化?优化结果表明?供暖期?热泵机组供水温度最佳范围为?供冷期?热泵机组供水温度最佳范围为?优化后?热泵系统制冷季节能源消耗效率?制热季节能源消耗效率?全年能源消耗效率均比优化前有所提高?优化后?地源热泵系统比优化前节电?费用年值降低?在保证室内温度合理的前提下?供暖期热泵机组平均供水温度降低?供冷期热泵机组平均供水温度提高?关键词?超低能耗建筑?水平地埋管地源热泵?系统优化?算法中图分类号?文献标志码?文章编号?概述地源热泵作为一种高效?低成本的清洁能源技术?在建筑供能领域得到了广泛应用?其中水平地埋管地源热泵系统由于其占地面积较大?在传统建筑中应用较少?然而?随着超低能耗建筑及其相关
3、技术的发展?新建建筑的用能负荷?尤其是供暖和供冷负荷呈明显下降趋势?所需水平地埋管的长度和占地面积也随之下降?这为水平地埋管地源热泵系统在建筑供能领域的发展带来了广阔的前景?由于水平地埋管地源热泵系统应用在普通建筑中往往需要联合辅助热源或冷源?例如太阳能和冷却塔等?使得水平地埋管地源热泵系统优化研究变得高度非线性?需要考虑更多的约束?仝仓等人?研究分析了水平地埋管地源热泵系统的运行特性和适应性?结果表明?对于超低能耗建筑?水平地埋管地源热泵系统具有良好的应用前景?等人?利用遗传算法对水平地埋管地源热泵系统进行优化设计?选取管长?深度?管排层数等?个参数作为优化变量?设计出一套经济性最优的水平地
4、埋管地源热泵系统?等人?利用遗传算法对水平地埋管换热器的回填材料物性参数进行了优化?并指出地表铺设保温层有利于提高水平地埋管地源热泵系统效率?以上研究均是针对水平地埋管换热器参数进行优化?并没有结合实际用户负荷需求对水平地埋管地源热泵系统进行优化研究?本文以某超低能耗居住建筑为例?利用?软件搭建水平地埋管地源热泵系统仿真模型?结合实际用户负荷需求?以系统费用年值最低为目标函数?选取热泵机组供水温度为优化变量?采用?算法对水平地埋管地源热泵系统进行优化?第?卷?第?期?年?月煤 气 与 热 力?系统设计?建筑概况以大连某栋超低能耗居住建筑为例?该建筑为?层?南北朝向?体形系数为?建筑面积为?空调
5、面积为?建筑应用了高性能围护结构?外窗采用铝合金窗框?层?玻璃?太阳得热系数为?围护结构传热系数见表?均符合?近零能耗建筑技术标准?要求?表?围护结构传热系数围护结构外墙 屋顶 地面 内墙 顶棚 外窗 外门传热系数?利用?软件建立居住建筑负荷模型?选择典型年气象数据?对全年?建筑负荷进行模拟?室内环境设计参数参照?民用建筑绿色性能计算标准?确定?供暖室内设计温度为?空调室内设计温度为?人体发热量?设备热功率密度?照明装置热功率密度?人员在室率?设备使用率?照明装置开启率参照?被动式超低能耗居住建筑节能设计标准?确定?供暖期为?月?日至次年?月?日?供冷期间为?月?日至?月?日?由?软件模拟得到
6、的建筑全年逐时负荷见图?由模拟结果可知?建筑全年累计冷负荷为?最大冷负荷为?全年累计热负荷为?最大热负荷为?图?建筑全年逐时负荷?地源热泵系统与运行策略水平地埋管地源热泵系统?简称地源热泵系统?流程见图?地源热泵系统由热泵机组?水平地埋管换热器?水箱?水泵?风机盘管?地面辐射供暖系统?控制系统组成?供暖期?采用地面辐射供暖系统为用户供暖?供冷期?采用风机盘管为用户供冷?地源侧水泵?热泵机组?水箱水泵?负荷侧水泵?图?地源热泵系统流程为避免地源热泵系统持续运行导致能源浪费?同时兼顾室内环境热舒适性?根据供暖期?供冷期和室内温度对地源热泵系统进行间歇启停控制?在供暖期?当室内温度低于?时?开启热泵机组?水泵?开启?当室内温度高于?时?关闭热泵机组?水泵?关闭?在供冷期?当室内温度高于?时?开启热泵机组?水泵?开启?风机盘管开启?当室内温度低于?时?关闭热泵机组?水泵?关闭?风机盘管关闭?主要设备选型根据负荷模拟结果?建筑最大冷负荷为?最大热负荷为?因此?热泵机组选取额定制冷量为?额定制热量为?额定制冷性能系数为?额定制热性能系数为?水平地埋管换热器根据文献?进行设计?设计长度为?管内径为?
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