海水-土壤双源热泵系统的气候适用性研究

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可再生能源的应用是实现我国“双碳”目标的有效途径之一。地热能与海洋能是典型的可再生能源,其在国内不同气候区的广泛应用对“双碳”目标的实现具有重要推动作用。海水-土壤双源热泵系统是有效利用海洋能与地热能的典型技术之一,其通过埋置于近岸海床中的毛细管网箱前端换热器,充分利用了海洋和土壤中的热能为末端建筑提供冷热量。然而,目前缺乏该技术在我国不同气候区的适用性评价与分析,严重制约了该技术在国内不同气候区的应用。本文拟对海水-土壤双源热泵系统在不同气候区的适用性进行研究。首先,建立了海水-土壤双源热泵系统前端毛细管换热器传热理论模型及数值仿真模型;其次,选取了不同气候区的典型办公建筑作为技术应用对象,模拟了其对应的建筑负荷,并进行相应的热泵系统设计;再次,基于前述理论研究,利用经过实验验证的毛细管换热器模块建立海水-土壤双源热泵系统仿真模型;最后,提出了该技术的适用性评价体系,并基于系统仿真模型分析了该技术在不同气候区的适用性。主要研究结论如下:(1)典型城市对应海水-土壤双源热泵系统的全年综合性能系数APF的排名与制冷季性能系数SEER的排名一致,表明海水-土壤双源热泵系统的全年综合性能系数受制冷季性能系数的影响较大,海水-土壤双源热泵系统的性能适用性等级随着沿海城市气候区纬度的降低而降低。(2)由于热泵系统的利用率高,夏热冬暖气候区的典型城市在经济效益上的优势较大;而夏热冬冷气候区的典型城市由于毛细管换热器和热泵机组的利用率低,造成了初投资上的劣势,经济效益排名靠后;海水-土壤双源热泵系统在经济角度的适用性等级分区从高往低依次为夏热冬暖气候区、寒冷气候区、夏热冬冷气候区。(3)相比于只有制冷需求的夏热冬暖气候区,制冷季和供热季都有需求的寒冷气候区和夏热冬冷气候区有更大的节能减排潜力,且供热需求越大,环保效益的优势就越明显;海水-土壤双源热泵系统在环保角度的适用性等级分区从高往低依次为寒冷气候区、夏热冬冷气候区、夏热冬暖气候区。(4)由于在性能和环保效益上的优势比较突出,寒冷气候区典型城市的综合得分在所有评价方案中均位于前列;夏热冬冷气候区典型城市在性能和环保效益上的优劣势比较均衡,仅在经济角度上有明显劣势,最终综合得分排名位于典型城市的中档;夏热冬暖气候区典型城市仅在经济效益上占有优势,性能和环保效益上的劣势较大,综合得分排名靠后。根据综合得分结果进行典型城市应用海水-土壤双源热泵系统的适用性分级,评价结果为:大连和青岛比较适用,上海、舟山和湛江为中等适用,三亚为一般适用。本研究为海水-土壤双源热泵系统在不同气候区的推广应用提供了评价体系与理论指导,具有较大的工程应用价值。
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