谷电驱动GSHP耦合太阳能蓄热供暖系统模拟研究

COP、耗电量等的影响；确定系统模式运行最优方案；分析计算不同蓄热容量对系统运行成本的影响；最后对谷电驱动 GSHP 耦合太阳能蓄热供暖系统进行经济和环境效益分析。

1 绪论

1.1 课题研究背景
1.1.1 能源消耗现状
随着全球经济和科学技术的快速发展，节能与环保已是当今社会讨论最多的话题之一。能源问题是关系国际政治、经济的一个战略性问题。20 世纪 70 年代先后发生的两次能源危机让人记忆犹新，从而引发了一场规模庞大的全球经济危机。随后各国开始寻求能源问题的解决对策，能源安全受到前所未有的重视，因此节能政策成为普遍采纳的有效措施。如今，高效清洁的能源系统已成为各国能源转型的发展趋势和努力方向。随着人们对生活环境要求的不断提高，轻生态重发展的旧模式已被人们淘汰，同时也为各行各业的发展敲响了警钟。
能源包括太阳能、风能、潮汐能、核能、生物质能、地理性质能源等。能源决定一个国家的未来发展和命运[1]。回顾过去十年中，我国每年的能源消耗总量呈上升趋势，其中建筑能耗最大，供暖和空调在建筑能耗中所占的比重达到 55%[2]，为了创造更好的生活环境，暖通行业在节能环保的兴起中都有责任和义务。21 世纪初我国暖通行业所消耗的能源总量已经超过不可再生能源总量的 20%，而我国不可再生能源消耗总量占比全球能量消耗总量的 11%。为缓解压力，科学家对部分可再生能源进行了理论、模拟、实验研究，并且成功利用可再生能源制冷和制热。
我国能源结构仍然是以煤炭等不可再生能源为主，约占其它能源消耗总量的三倍[3]。进入 21 世纪以来，我国经济发展迅速，一次能源消费快速增长，到 2015 年我国能源消费总量达到 43 亿吨标准煤，能源消费总量继续保持世界第一。化石燃料是非清洁能源，燃烧后产生大量污染物，导致温室效应、酸雨和雾霾等问题。生态环境和人体健康面临巨大的挑战，节能减排和发展可再生资源已经迫在眉睫[4]。
太阳能、地热能等是一种清洁的可再生的能源，并且我国北方寒冷地区的太阳能含量丰富，与其相关的研究和应用最为广泛且最引人注目。这对于利用太阳能热泵采暖的地区的有着很大的优势，但太阳能存在不稳定性和发散性等缺点，完全利用较为困难，相变装置的使用可以解决能源供应时间与空间矛盾。
..........................

1.2 课题国内外研究进展
1.2.1 复合热源热泵系统研究现状
太阳能和地热能都是可再生的清洁能源，储量丰富，对环境没有污染。太阳能直接供暖系统虽然可以做到“零污染”，但是，系统的稳定性全依靠太阳能，因为太阳能的波动性较强，所以会出现系统不稳定，供热不足等现象[15]。地源热泵作为一种高效、节能环保的可持续供暖技术，既可以在冬季供暖，又可以在夏季供冷，但随着系统运行时间增加，会导致土壤“热失衡”，出现冻融现象，导致机组 COP 降低。
因此，科学家们提出利用太阳能和地源热泵耦合供暖，再利用蓄热装置，储存太阳充足时候的热量或系统处于低谷电价时候的供热量。对此，国内外科学工作者对多热源耦合蓄热装置[16]供暖展开了大量的研究。
1956 年，由 Penrod 等人[17]首次提出将太阳能与地源热泵结合进行供暖，为太阳能的利用提出了新的途径与新的思想。1962 年，他研发出太阳能地源热泵耦合系统进行供暖，并详细阐述了系统的设计步骤，为太阳能地源热泵系统供暖模式提供了可靠地依据。此后，许多发达国家国对太阳能地源热泵进行深入的研究，并组建很多太阳能地源热泵系统的示范工程。例如，医院、学校、宾馆、办公楼、展览馆、机场、游泳馆等，都取得了良好的经济效益和运行效益。
1970 年初，由于能源危机，美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）首先制定了蓄热技术的发展与研究规划，而后各国都开始对蓄热技术展开大量的研究。科学工作者开始把太阳能、地源热泵、低谷电与蓄热装置耦合组成供暖系统，既解决了太阳能单独供暖的不稳定，又解决了地源热泵单独供暖时系统 COP 的降低，并且利用低谷电和富裕的太阳能对蓄热装置蓄热，使蓄热装置在“峰电”时段参与供暖，从而起到“削峰填谷”的作用。
..........................

2 建筑负荷计算与设备选型

2.1 工程概况与气象资料
2.1.1 工程概况
本课题选取位于北京市的某建筑办公大楼[54]为研究对象，建筑总共 3 层，总层高 12m，建筑总面积为 3200 平方米，设计负荷约为 147kW，建筑内包括会议室、办公室、厕所、餐厅等功能区域。供暖时间为人员上班时间 8：00-18：00，其余时间该建筑保持值班温度。采暖期为 11 月 14 号—3 月 15 号，总共供暖天数为 122天，年平均温度 12.9℃，空调室内外设计参数如下表 2.1。

..........................


3 仿真模型的建立.....................................21
3.1 模拟软件介绍..................................21
3.2 谷电驱动 GSHP 耦合太阳能蓄热供暖系统描述.......................................22
4 系统模拟结果分析..................................28
4.1 模型验证............................28
4.2 系统仿真运行结果分析..........................29
5 谷电驱动 GSHP 耦合太阳能蓄热供暖系统成本估算与经济性分析................ 42
5.1 项目成本估算.........................42
5.1.1 项目成本估算........................42
5.1.2 项目增量成本分析....................43

5 谷电驱动 GSHP 耦合太阳能蓄热供暖系统成本估算与经济性分析

5.1 项目成本估算
5.1.1 项目成本估算
（1）系统投资成本估算
本文研究的谷电驱动 GSHP 耦合太阳能蓄热供暖系统所涉及的主要设备包括：地源热泵机组、太阳能集热器、地埋管、相变蓄热装置、循环泵以及一系列设备配套。设备安装费用为机组造价的 7%，运输费为机组造价的 3%，设备运行维护费用按机组造价的 1%计算。谷电驱动 GSHP 耦合太阳能蓄热供暖系统初投资详情见表5.1。

.............................