基于TRNSYS的太阳能耦合地源热泵温室供暖系统仿真研究

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近年来,我国大力推进清洁能源替代燃煤供暖的工作,其中将太阳能、地热能等清洁能源用于北方地区供暖具有良好的经济环保效益。但太阳能耦合地源热泵系统用于寒冷地区农业温室供暖的实验时间跨度长,缺少解决地源热泵土壤热失衡问题的基本设计准则。为此本文构建了太阳能耦合地源热泵温室供暖系统仿真模型;开展了耦合供暖系统的运行特性研究;提出了面向工程型农业温室的耦合供暖系统集热器面积设计匹配准则和加入太阳能热泵的运行模式。首先构建了面向农业温室供暖的太阳能耦合地源热泵供暖系统TRNSYS仿真模型,模拟所得系统供热量、取热量和耗电量与实验值误差在±2.5%以内,所得土壤平均温度与实测值最大相差不超过0.09℃,验证了仿真模型的准确性。然后,基于该仿真模型研究了部件及其参数和控制策略对耦合供暖系统的影响规律,并对该系统长期运行条件下的地埋管井群区域土壤温度、系统能耗和COP进行了预测和分析。发现太阳能集热器对系统的影响显著,是系统优化的关键部件;集热、蓄热、直供子系统存在最佳控制策略;随着长期供暖的进行,耦合供暖系统土壤温度仍可保持在初始地温14.68℃以上,系统COP较纯地源热泵供暖系统高出18.8%。最后,设计并构建了面向工程型农业温室供暖的太阳能耦合地源热泵系统及其仿真模型,提出了基于温室面积和热泵能效的系统集热器面积设计匹配准则;对该系统进行了运行模式的比较和经济性评价,结果表明:加入太阳能热泵运行模式的耦合供暖系统用于工程型农业温室供暖其能耗较原系统降低了2.6%,COP提升了0.14,年化成本低于电采暖系统27.5%,经济环保效益显著。本研究可为我国北方地区农业领域清洁供暖提供技术参考和理论支撑。
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