温州世纪办公楼空调设计【文献综述】

毕业论文文献综述

建筑环境与设备工程

温州世纪办公楼空调设计

一、前言部分

太阳能—地源热泵系统概述

地源热泵系统利用大地作为冷热源，同时又不需要抽取地下水作为传热的介质。它不需要任何的人工热源，冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热为建筑物制冷。地源热泵以其高效、节能、舒适，而且安装施工简单、运行维护方便等优点，现在己被作为一项旨在解决空调冷热源问题的新技术，日渐受到人们的重视。

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的高效节能装置[1]，也是在空调领域实现建筑节能的重要途径。按工作方式的不同，热泵的基本形式有压缩式，吸收式，喷射式，吸附式和化学热泵等。而按其循环工质冷凝温度的不同，可将其分为四级：即常温热泵(冷凝温度<50℃)，中温热泵(冷凝温度50’80℃)，中高温热泵(冷凝温度80’100℃)和高温热泵(冷凝温度>100℃)[2]。

太阳能一地源热泵式空调系统是太阳能光伏技术和地源热泵技术的重要应用领域，采用变频技术的深井水泵和空调末端风机可以进一步提高系统的工作效率。太阳能和地源热泵复合系统在空调领域的应用，充分利用自然能，代表着节能型中央空调的发展趋势，符合国家的能源发展政策，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。研究并推广运用这种“绿色技术”，是中国经济发展、能源开发利用的需要。本论文研究的目的是：在结合太阳能光伏利用与地源热泵技术的基础上，分析研究太阳能一地源热泵式空调系统的技术特点，论证了太阳能一地源热泵式空调系统的可行性，和对可再生能源利用的充分性。研究该系统的工作原理以及系统运行时的控制方式，提高了能源利用效率，实现系统对公共电网的零能需求。利用仿真技术，针对地源热泵系统中的相关部件建立仿真模型，对影响各部件运行性能的各参数进行分析和研究。

二、主题部分

2.1 国内外能源现状与对策

近年来由于能源短缺和环境恶化的问题日趋严重，因此在满足人们对生活健康、舒适要求的前提下，节约能源和保护环境己成为空调行业需要面对的一个重要问题。太阳能利用和地源热泵技术在建筑方面的应用，正日益受到人们的关注。

中国是发展中国家，人口众多，能源资源相对匮乏。中国自然资源总量排世界第七，能源资源总量居世界第三位。但中国人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半，石油占有量仅为十分之

一。而在另一方面，中国的每万美元国民生产总值能耗却很高，为发达国家的四至六倍。在美国、中国、俄罗斯、日本、德国、加拿大和印度世界七大能源消费国中，只有中国的煤炭占能源消费量的72．8％以上[3]。酸雨污染，温室效应以及臭氧层破坏等已成为制约我国经济协调稳定发展的重要环境因素。中国要达到全面实现小康社会的目标，GDP以及人均国内生产总值都将以较高的速度继续增长，因此，中国的能源环境与经济发展的矛盾必将日益突出。能否保证中国在新世纪保持经济较高速度的可持续发展，能源动力工作者责任重大。积极制订对策、采取行之有效的措施已刻不容缓。具体的对策有很多，比如：①积极开发可再生能源，充分利用清洁能源，逐步改变以煤为主的能源结构；②提高能源有效利用率，最大限度地节约常规能源；⑨能源工业发展以电力为中心，最大限度地提高一次能源一煤炭用于发电的比重；④煤炭的清洁使用和发展洁净煤技术[4]。

随着21世纪的到来，我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高。减少我国冬季采暖所造成的大气污染，降低供暖空调系统的能耗、节约能源是建筑节能和暖通空调工作者一直追求的目标，特别是近几年来，大中城市为改善大气环境，迫切需要减少燃煤量，大力推广使用包括可再生能源在内的清洁能源。随着人民生活水平的提高，建筑物不仅要满足冬季采暖的要求，而且需要夏季空调降温。如果将太阳能、地源热泵和空调系统三者有机结合起来，来实现对建筑物的供暖和制冷，必将大量减少对常规能源的消耗，同时可极大减少对环境的污染[5]。

2.2 研究太阳能一地源热泵系统的意义

建筑物消耗的能源，在我国约占全社会总耗能的46．7％，欧洲和美国约占全部能源消耗的40％，同时排放了同样比例的二氧化碳等废弃物。如何全面提高能源效率，尽量减少对日渐枯竭的传统一次性“矿物化石”能源依赖性己成为当务之急。在世界绿色建筑浪潮当中，直接针对建筑能耗问题提出的“零能耗建筑策略”正日益成为人们关注的焦点，其核心特点除了强调被动式节能设计外，将建筑能源需求转向太阳能、风能、浅层地热能、生物质能等可再生能源，为人们的建筑行为，为人、建筑与环境和谐共生寻找到最佳的解决方案。近几年，众多“零能耗建筑”实践正由单个示范项目开始成为国家的导向性行动[6]。

随着传统能源资源的日渐紧张，能源价格的不断上调，将太阳能光一热技术、光一电技术、地源热泵技术等与建筑有机结合，建成一个综合利用新能源的建筑(如采用太阳能光伏与地源热泵的联用技术实现夏季制冷冬季采暖，以降低建筑的耗能指标)，将是太阳能一地源热泵技术与产品的发展趋势。将由太阳能光伏作用产生的电能作为驱动地源热泵的高品质能源，这样的热泵系统称为太阳能一地源热泵系统。太阳能、地热能等新能源提供建筑用能80％以上，节约能源费用82％，具有显著的社会经济环境效益。80年代国际能源组织(IEA)组织1 5个国家的专家对太阳能建筑技术进行联合攻关，欧美发达国家纷纷建造综合利用太阳能示范建筑。试验表明：太阳能建筑节能率大约在75％左右，已成为最有发展前景的领域之一[7]。

2.3 太阳能光伏利用发展概况

太阳能作为可利用的能源，目前主要有三大应用技术领域，即光热转换、光电转换和光化学转换。太阳能光伏技术，即太阳能发电技术，因为其不消耗矿物燃料、无污染、价格较低、使用安全方便等特点，备受世界各国的重视，日益成为太阳能应用的主要方向[8]。其基本工作原理是：以太阳能电池板接收太阳光并产生电能(即发电)，将产生的电能储存在蓄电池里，到需要用电时再从蓄电池中取电。太阳能电池板(也叫光伏板或光伏组件)，本身只能发电而不能储存电能，它发出的是直流电，蓄电池进出的也是直流电。对用电负载而言，这时可以直接给直流电器供电，也可经过逆变器将直流电变换为交流电给交流电器供电或直接进入电网[9]。

2.4 太阳能一地源热泵式空调系统的总体结构

太阳能和地源热泵联合系统在空调领域的应用，充分利用自然能，代表着节能型中央空调的发展趋势，是一种可以对太阳能光电和地热资源进行综合利用的空调系统。系统通过热泵循环把太阳能利用、地热利用和建筑供能有机地结合成一个整体。太阳辐照通过硅电池的光电转换可以形成电流输出，其输出的电能经过逆变器转化成负载所需要的交流电，该交流电驱动压缩机、水泵等设备，使制冷剂在地源热泵环路中循环，将热量释放到土壤中(或从土壤中吸收热量)，从而实现了对太阳辐照的光伏利用和地热的综合应用，明显提高了对自然资源的利用效率。太阳能一地源热泵式空调系统一方面通过热泵循环，以大地为热源，向建筑物提供高效稳定的热能；另一方面，光伏电池转化的电能提供给热泵利用，实现了对电网的零电力需求。系统的结构示意图如图2—1所示：

图2-1太阳能一地源热泵式空调系统结构示意图

2.5 太阳能一地源热泵式空调系统的原理

太阳能一地源热泵式空调系统原理如图2-2所示。系统主要包括图中所示的光伏组件、逆变器、蓄电池组、深井水泵、循环水泵和风机等。光伏组件是由太阳能电池组件过串、并联构成，其容量可以是数百峰瓦(Wp)，也可以达到数个兆峰瓦(MWp)，甚至更大。组件可以由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它类型的太阳能电池组成。太阳能一地源热泵式空调系统所配用的光伏阵列容量往往在数百

KMp至数十MWp之间，其实际大小，根据用户的需要而定。光伏发电系统是直流系统，而水泵及风机等都为交流负载，因此需要使用逆变器将光伏发电系统产生的直流电转换成负载所需要的交流电。水泵用于驱动工质在回路中的循环，实现热量在建筑物和土壤源之间的传输。

图2-2太阳能一地源热泵式空调系统原理图

2.6 太阳能一地源热泵式空调控制系统

为实现整个空调系统的自动运行，并能够方便的分别对地源热泵式空调子系统和太阳能光伏子系统进行不同运行状态的切换，拟分别为两个子系统配备相对独立的控制系统。

2.6.1 地源热泵式空调控制系统

地源热泵式空调控制系统为热泵采暖、制冷循环和测温而设计，具有自动控制热泵、循环泵和风机等功能，能够显示房间的温度、土壤源的温度和管道中水的流量。系统应具有如下的控制功能：

①房间温度可以由室内的温控开关进行设定；

②当房间温度达到设定温度时，风机盘管循环系统的循环水泵和热泵应自动停止运行；

③能够实时显示循环管路中流体的温度、流速；

④能够实时显示房间和地下土壤测温点的温度，各个循环管路的压力、流量和热量数据：

⑤能够显示所有热泵机组、循环水泵及风机盘管系统的累计工作时间。[10]

系统的控制原理如图2-4所示：

图2-4地源热泵式空调子系统的控制原理图

2.6.2 光伏控制子系统

系统包括太阳能电池、升压电路和逆变器，主要实现了能量的转换和传输。控制回路主要由控制器、反馈回路、驱动等几部分组成。控制的目的是使系统输出的交流电压幅值恒定，频率稳定，波

形为正弦波。系统的控制回路示意图如图2—5所示。[11]

图2-5光伏子系统的控制回路示意图

三、总结

太阳能一地源热泵式空调系统迄今为止还没有普遍公认的模式和规范。本文结合当今太阳能光伏和地源热泵的应用现状，提出了将太阳能光伏技术和地源热泵技术相集合的太阳能一地源热泵空调联合运行系统的设计方法。还对太阳能一地源热泵式空调系统做了概述和分析，重点分析了太阳能～地源热泵式空调系统的整体结构和工作原理，系统由光伏子系统产生地源热泵式空调运行所需的高品位能源，实现对常规能源的零能需求。分别对光伏子系统和地源热泵子系统进行了结构设计并给出了控制模块结构图。了解到：

①太阳能光伏子系统主要由光伏电池、逆变器、蓄电池、负载等组成。可以通过对蓄电池进行串、并联，得到需要的电压和电流。

②建筑物的冷热负荷是一个受室内设计参数、室内人员、设备等散热量、散湿量、围护结构性质、室外空气环境参数(包括温度湿度、气流速度等)、太阳辐射强度等诸多因素影响的变量。

根据2007年国家公布的《可再生能源中长期发展规划》[12]，即分别在我国西部和经济较发达的大中城市加大光伏发电的利用力度，并支持建设较大规模的太阳能光伏电站。相信在政府的大力支持下，光伏发电技术在我国将会持续高速地发展。

四、参考文献

[1]赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，袁立强．太阳能光伏发电及其应用[M]．北京：科学出版社，2005

[2]裴刚．光伏一太阳能热泵系统及多功能热泵系统的综合性能研究．中国科学技术大学博士学位论文．2006

[3] Ashrae．Commercial／institutional ground—source heat pump(GSHP) engineering manual[M]．Atlanta：Caneta Research Inc American Society of Heating Refrigeration and Air —Conditioning Engineers Ine．

[4] 康艳兵，马志永．建筑节能领域可再生能源的利用方式[J]．中国能源，2002(6)：37-40

[5] Ji Jie，Pei Gang，Tin．Tai Chow,Dong Jun，He Wei．Performance of Multi—functional Domestic Heat Pump System[J]．Applied Energy．2005，80：307．326

[6]蔡颖玲．户式中央空调的节能研究[J]．制冷空调电力机械．2004(5)．65—68

[7] 江亿．我国建筑能耗状况及有效的节能途径[J]．暖通空调，2005，35(5)：30-40

[8] 张正华，李陵岚，叶楚平等．有机太阳能电池与塑料太阳能电池[M]．北京：化学业出版社2006

[9] 严陆光，夏训诚，周凤起等．我国大规模可再生能源基地与技术的发展研究[J]．电工电能新技术．2007年1月，第26卷第1期：13—24

[10]徐伟等．地源热泵工程技术指南[M]．北京：中国建筑工业出版社，2001．1

[11]王建平，杨金付，徐晓冰．一种聚光型太阳能光伏系统的研究[J]．能源研究与利用，2007(01)．19—22

[12]理博．光伏并网逆变系统综合控制策略研究及实现．清华大学硕士学位论文．2006