西部寒冷地区太阳能-地源热泵联合供热系统模拟优化研究.pdfVIP

摘要

在我国的西部寒冷地区冬季相对寒冷，供暖期长，长时间以来供暖一直以传统

供暖方式为主，随着国家“双碳”时间目标的确定，西部地区的节能降碳工作也十

分紧迫，因此在西部寒冷地区研究使用清洁能源供暖模式意义十分重大。为解决此

问题，本文将太阳能与地热能相结合，提出了太阳能-地源热泵联合供热系统，分

为太阳能集热器-地源热泵（SolarThermal-GroundSourceHeatPump,ST-GSHP）联

合供热系统和光伏/光热-地源热泵(Photovoltaic/Thermal-GroundSourceHeatPump,

PV/T-GSHP)联合供热系统，在冬季对建筑供暖，过渡季将太阳能的热量储存至土

壤中供冬季使用。本文主要从以下几个方面对两个联合供热系统进行研究：

首先利用TRNSYS（TransientSystemSimulationProgram）仿真模拟软件，对

一栋位于榆林市的某典型农村住宅的冷热负荷进行了模拟计算，并介绍了两个联

合供热系统的运行原理与模式，然后根据建筑的逐时动态负荷和系统动态特性相

匹配的一个原则，对两个联合供热系统的主要设备参数进行设计，基于以上的基础

在TRNSYS中搭建相应系统的仿真模型，并展开模拟与分析。

其次，分析了ST-GSHP联合供热系统的年平均太阳能保证率、集热效率，PV/T-

GSHP联合供热系统的年平均光热光电转换效率、太阳能保证率，并将这两个联合

供热系统与地源热泵独立供暖系统分别从土壤温度、热泵机组性能系数、整体性能

系数、能耗等方面进行对比分析，两个联合供热系统的热泵机组性能系数和整体性

能系数分别比其高5%、4%和25%、14%，能耗分别比其低28%和43%，得出这两

个联合供热系统的运行性能均优于地源热泵独立供暖系统，由于增加了蓄热部分

使得这两个联合供热系统可在西部寒冷地区中持续运行。

最后，利用GenOpt优化程序以系统的费用年值为优化目标，采用Hooke-Jeeves

优化算法分别对两个系统中的真空管太阳能集热器集热面积、光伏/光热集热器集

热面积、单位集热面积流量、单位集热面积对应水箱体积、安装倾角、方位角进行

优化，优化后的费用年值均优于优化前。并将优化后的两个联合供热系统与几种传

统供热方式进行了节能环境效益的比较，两个联合供热系统的节能环境效益均优

于燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、电热锅炉，证明了这两个联合供热系统在西部

寒冷地区运行的一个可行性，可为农村地区的清洁供热方式提供一个参考。

关键词：太阳能；地源热泵；TRNSYS；土壤蓄热；运行性能；系统优化

Abstract

InthewesterncoldregionofChina,thewinterisrelativelycoldandtheheating

periodislong.Foralongtime,heatinghasbeendominatedbytraditionalfuels(coaland

gas).Withthedeterminationofthenationaldoublecarbontimetarget,theenergysaving

andcarbonreductionworkinthewesternregionisalsoveryurgent.Therefore,itisof

greatsignificancetostudytheuseofcleanenergyheatingmodeinthewesterncoldregion.

Inordertosolvethisproblem,thisthesiscombinessolarenergywithgeothermalenergy,

andproposesasolar-groundsourceheatpumpcombinedheatingsystem,whichisdivided

intoasolarthermal-GroundSourceHeatPump(ST-GSHP)combinedheatingsystemand

aphotovolt