论文题目：单元式地源热泵在皖北农村地区的应用
摘要：随着我国经济的迅速发展,人民生活水平的显著提高。农村居民已不满足于现有的居住环境,对于室内的热舒适性需求日渐提升。目前皖北农村地区冬季采暖方式仍然以小型燃煤锅炉为主,通过燃烧煤炭等不可再生的化石能源来提供冬季所需的热量。而当今社会煤炭资源极为紧缺,且燃烧煤炭效率低,还会产生一系列有害于环境的污染气体,有悖于当今社会绿色、可持续发展的理念。同时也增加了“碳达峰”与“碳中和”的难度。因此急需找寻一种清洁供暖技术替代传统燃煤锅炉供暖。浅层地热能具有储量大、可再生等优点,结合热泵技术可以达到高效、节能的效果,为单元式地源热泵系统在皖北农村地区的应用提供可能。近些年虽然已经研发出适用于小型建筑物的单元式地源热泵系统,但受到农村多种条件制约,缺少实际的运行数据,难以分析其在农村地区的实际运行状况。本文以皖北农村地区典型居住建筑为研究对象,采用实证调查方式收集数据并分析,掌握皖北农村地区居住建筑及人员特点。通过收集资料与实证调研方式建立皖北农村地区典型住宅建筑模型,并使用Design Builder建筑能耗动态模拟软件分析其全年动态负荷情况,得出总冷量与总热量之比为1.22:1;结合地源热泵系统原理,创建双侧地埋管式单元式地源热泵系统试验平台,在监测系统实际运行情况的同时,对比分析皖北农村地区不同地埋管形式换热器的实际换热能力。通过运行试验平台得出以下结论:1.通过监测数据与理论计算,得出皖北农村地区地下土壤初始地温的实测值与理论值误差仅为1%,验证了初始地温计算式的正确性;制冷季与采暖季的实际运行中,在相同条件下,仅更改地埋换热器形式,可以得到De25双U地埋管换热器形式下的热泵机组制冷/制热系数高于De32单U地埋管换热器形式;且在上述条件下,De25双U地埋管换热器的实际换热能力相比De32单U地埋管换热器提升13%,能效系数提高50%左右,单位井深换热量同样是双U型更高,在投资成本基本相同的情况下,选择双U型地埋管单元式地源热泵系统运行效果表现更为优秀。2.单元式地源热泵系统消耗电能为代价,虽不直接产生有害气体,但我国发电仍以燃煤发电形式为主,从而间接导致了有害气体的排放,破坏生态环境。本文对比单元式地源热泵系统、小型燃煤锅炉系统、空气源热泵系统三种供暖形式,对其经济性、节能性以及促进“碳中和”能力进行分析。结果表明:选择单元式地源热泵系统初始投资较高,但运行费用少,回收周期仅需3.5年与2.6年;单元式地源热泵系统在皖北农村地区一个完整供暖周期,单位供暖面积使用标准煤量5.31kgce/（m2·a）,与燃煤锅炉形式相比减少14.69 kgce/（m2.a）、节能率高达73.45%,与空气源热泵系统相比可减少3.71 kgce（m2·a）、节能率达41.13%;采用单元式地源热泵相比其他两种系统,可减少有害气体排放量4.3259t/a和1.0963t/a,对应节省有害气体治理费用535.16元/a、135.12 元/a。3.为达到“碳中和”,实现“零排放”目的。计算以上三种形式在完整供暖季的温室气体排放量分别为1.523t/a、5.736t/a、2.59t/a。通过查询资料与计算得到皖北农村地区户均拥有耕地面积和林地面积,按照玉米和林木两种植物的呼吸作用来进行碳固定,从而抵消排放的CO2数量。其能力分别为4.91t/a和16.91t/a。结果表明,选用单元式地源热泵系统对于环境的压力最小,且可以达到碳平衡效果。拟采用“清洁能源”生产“清洁电能”,达到自给自足的目的。本文选用农村资源丰富的生物质能源进行沼气发电技术与光伏发电技术并进行理论分析。结合皖北农村地区平均每年户生产的生物质资源总量,得出户均拥有沼气发电能力最大值为3372.67kW·h/a。计算结果表明不足以维持系统连续运行;而利用屋顶平面布置太阳能光伏板,光伏发电量足以满足系统连续运行要求。因此可以在皖北农村地区将沼气发电与光伏发电耦合成为一个系统,为实现绿色、可持续的提供清洁电能,实现真正的“零排放”。
关键词：皖北农村地区;单元式地源热泵系统;实测;碳中和
学科专业：供热、供燃气、通风及空调工程
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
1.2 课题研究意义
1.2.1 经济效益
1.2.2 环保效益
1.2.3 “碳中和”效果
1.3 国内外研究发展与现状
1.3.1 国外研究发展与现状
1.3.2 国内研究发展与现状
1.4 课题研究内容
第二章 皖北农村地区建筑及人员特点
2.1 皖北农村地区概况
2.1.1 基本信息
2.1.2 地质条件
2.2 调查问卷设计与收集
2.2.1 调查问卷设计
2.2.2 调查问卷收集
2.3 调查数据分析
2.3.1 皖北农村地区建筑外环境分析
2.3.2 皖北农村地区外围护结构特点分析
2.3.3 皖北农村地区用电设备使用情况分析
2.3.4 皖北农村地区户常居人口特点分析
2.3.5 皖北农村地区居民舒适性分析
2.4 本章小结
第三章 单元式地源热泵系统试验平台设计与试验方案
3.1 试验对象选取与能耗分析
3.1.1 试验对象概况
3.1.2 DesignBuilder软件介绍
3.1.3 建筑模型构建与参数设定
3.1.4 建筑能耗模拟结果分析
3.2 单元式地源热泵系统原理与试验平台设计
3.2.1 单元式地源热泵系统原理
3.2.2 单元式地源热泵系统试验平台设计
3.2.3 单元式地源热泵系统试验平台试验方案
3.3 单元式地源热泵系统试验平台搭建
3.3.1 单元式地源热泵系统试验平台设备参数
3.3.2 单元式地源热泵系统试验平台搭建
3.4 本章小结
第四章 单元式地源热泵系统在皖北农村地区的应用性分析
4.1 皖北地区土壤初始地温分析
4.1.1 土壤初始地温理论计算
4.1.2 土壤初始地温实测数据
4.1.3 结果分析
4.2 冬季供热工况运行结果分析
4.2.1 地埋管换热器进出口温度
4.2.2 地埋管换热器实际取热量Q_a与热泵系统有效制热量Q_R
4.2.3 热泵机组与系统运行性能系数(COP、COP_s)
4.2.4 地埋管换热器换热能力(E)与单位井深换热量
4.3 夏季制冷工况运行结果分析
4.3.1 地埋管换热器进出口温度
4.3.2 地埋管换热器实际排热量Q_r
4.3.3 热泵机组制冷能效比(EER)
4.3.4 地埋管换热器能效系数(E)与单位井深换热量
4.4 土壤热平衡情况分析
4.4.1 土壤热平衡理论分析
4.4.2 TRNSYS数值模拟验证
4.4.3 土壤热平衡情况
4.5 本章小结
第五章 单元式地源热泵在皖北农村地区节能经济性分析
5.1 单元式地源热泵系统经济性能分析
5.1.1 节煤量计算
5.1.2 初投资及回收周期
5.2 有害物减排量和减排节省治理费用分析
5.2.1 有害物减排量计算
5.2.2 减排有害物节省治理费用计算
5.3 单元式地源热泵系统能源消费的“碳中和”能力评价
5.3.1 单元式地源热泵系统能源消费“碳中和”能力分析
5.3.2 “清洁电能”与单元式地源热泵的耦合应用
5.4 本章小结
第六章、结论与展望
6.1 主要结论
6.2 不足与展望
参考文献
致谢
作者简介及读研期间主要科研成果