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太阳能辅助地源热泵在加拿大寒冷气候中应用的可能性

摘要

本文呈现了在以加热为主的建筑中使用太阳能集热器作为辅助成分的混合式地源热泵（GSHP）系统的可行性研究。估计了加拿大多伦多的米尔顿市附近一个实际的房子的负载。TRNSYS，一个系统仿真软件工具，被用来模拟一个常规地源热泵系统的逐年性能以及一个假设的混合地源热泵系统。现场采集的实际年度数据对仿真结果进行了审查。这项研究表明，混合式地源热泵系统，结合太阳能集热器对加热为主房子的空间调节是一个可行的选择。它表明，在地面上的太阳能热能存储可以减少大量的地面热交换器（GHX）的长度。总面积6.81平方米的地源热泵系统组合3个太阳能集热器将使GHX长度减少15％。敏感性分析了加拿大不同城市，结果是温哥华，这个拥有最温和气候的城市相比其他城市，对于太阳能混合动力系统，并且GHX长度减少与太阳能集热器面积比率为7.64米/平方米来说是最佳选择。整个系统的经济可行性是用20年的寿命周期成本分析来评价。分析结果表明，相比较常规地源热泵系统具有小经济好处。基于20年的寿命周期成本分析所提出的混合动力系统的净现值，根据钻井成本，低于传统的地源热泵系统估计在3.7％-7.6％（或1500美元3430美元加元）之间。

1.介绍

地热应用于建筑，100%的加热和冷却大多局限于依赖地下的地热能。虽然具有最低能量和维护成本的优点，在费用上这种做法可行，但空间的限制，高初始成本可能会使一个完整的地热安装收到限制。限制性规定，如强制要求的最小钻孔尺寸，注浆材料，工资率和热交换法，一般会增加这种系统的成本。初始成本可能使该项目超出预算，并且在一些情况下，钻井的条件可以防止使用大的常规闭环钻孔井场。

每年在许多建筑物中，热量从提取并注入到地面的量是不均衡的。大地耦合的一种常见的类型是垂直闭环型，其中大部分是用在有限的土地面积的建筑物。在设计这种类型的系统中，地面的热响应在整个项目预计使用寿命中必须考虑。如果接地回路热交换器不足够长，每年不平衡接地载荷将导致较低的热泵进入流体的温度在热主体建筑物或更高热泵在制冷主体建筑物进入流体的温度，到一个点，设备能力可能会受到损害。这种不平衡或者需要非常大的地面循环热交换器或某些机制协助系统通过补充逆差热或拒绝多余的热量。因为安装一个非常大的接地回路热交换器的成本可能会过多，所以一些地源热泵替代方法可以使用。这些措施包括太阳能集热器，其中注入额外的热量进入地面加热为主的建筑物，和冷却塔，即避免多余的热量散发到大气中并主要用于冷却建筑物。结合了一个系统地下换热器和地上换热器是通常被称为混合式地源热泵。在混合系统，峰值热泵进入流体温度每年应大致相等。在这项研究中，该系统利用太阳能收集器作为地上换热器，被称为太阳能辅助地源热泵系统。

本研究的目的是评价混合地源热泵系统与太阳能热收集器的性能和可行性。这项工作的主要目的是进行系统仿真方法来评估在供热为主的建筑中这种混合动力系统的可行性。实际住宅建筑来建模和结果与在一些特定月份通过监控设备的相关操作收集的实际数据相比较。不同类型和SAGSHP系统的方法已被研究和分析。

这将是理想的，这项研究与其他将吸引设计师和承包商在加拿大以供热为主的建筑中设计并安装这种混合动力系统的兴趣。

2.房间模式简介

建议选择进行研究的房子位于米尔顿镇，在60公里左右（38英里）的西部城市多伦多，安大略省，加拿大。房子是由当地的建设者在2005年建成两个能量效率示范住宅之一。房子是具有498平方米（5360平方英尺）生活区，包括具有下列特征的地下室超脱两层建筑：

结构: 轻型木结构, 50mm×150mm(2 in.×6 in.),安装在610 mm (24 in.)中心，外墙施工用砖。

绝缘：喷涂泡沫保温墙RSI3.6平方米K / W（R20平方英尺ħ◦F/英热单位），RSI7平方米K / W（R40平方英尺ħ◦F/ Btu）表示的阁楼绝缘。

窗户：双层玻璃与低辐射涂层/氩科幻LLED带绝缘垫片，乙烯，RSI0.38平方米K / W （R2平方英尺ħ◦F/英热单位）。

房客：2名成人和2名儿童的时间50％。

地下室地板：混凝土地板加热板加热下，RSI，2.22平方米K / W（R12 ft2 HR◦F / BTU）。

按制造商特定网络阳离子，房子温度设置在加热期间为21摄氏度（70◦F），在冷却期间为24摄氏度（75◦F）。漏气在50帕（0.007磅）为1.41 ACH。按照CAN/ CSA-F326和安大略省建筑规范（OBC）连续文氏0.16 ACH tilation是必需的，通过热回收通风系统的新鲜空气（HRV）是61升/秒（130立方英尺）。用户的内部显热设定为2.4千瓦时/天。两个大人和两个孩子50％的时间在该房子内，并被供给225升/天（59.44 USgal/天）的热水消耗。房子的基本负载被认为是22千瓦时/天，包括照明电器，室外使用等。

TRNBuild[11]中，TRNSYS仿真软件的组件用于生成房屋的热负荷廓。TRNBuild已发展为TRNSYS的模拟多区域的建筑物的一部分。这个组件模型建筑物分为不同的热区的热行为。为了使用这个组件，必须首先执行一个单独的预处理程序。The TRNBuild程序读取并处理含有某个文件建筑物描述和产生两个音响莱将用于通过TRNSYS模拟。为了得到总住宅负载的想法，内部TRNBuild设备部件特性被用于后来在这项研究中所用的设备的组件将被从外部连接到房屋模型。trnbuild使用模拟的时间步长，未必等于步骤壁传递函数关系建立时间。最后，光学和热窗口模式，其中太阳能和内部辐射分布的每个区域内的方式，考虑了水分平衡计算和热活性壁综合模型。热活性建筑构件（板或建筑物的墙壁）用于调节buildingsby一个流体系统集成到大规模份建筑本身。一个例子是，已在地下室使用的辐射加热系统。

选择研究多伦多的气候，因为它是最接近已在TRNSYS上拥有气象数据的米尔顿城市。

为了便于比较和验证的目的，房子也仿照加拿大自然资源部开发的软件HOT2000 v10.12做的做的模型。HOT2000是一个简化的住宅热损失/收益分析程序，它被广泛应用于北美国的建筑商，建筑师，工程师，研究人员，公用事业和政府机构和一些欧洲和日本的用户。利用电流的热损耗/增益和系统的性能模型，在仿真和建筑热效率的设计中，这个系统能够帮助被动式太阳能采暖和操作和性能的加热和冷却系统。

在TRNBuild房子已经分离的三个区域，1 - 地下室，2 - 一楼，和3 - 二楼。最大加热和冷却需求分别是11.5千瓦（39 MBH）和9.5千瓦（32.4 MBH）。从HOT2000和TRNSYS 中得到的房子负载如表1.和TRNSYS结果比较可以看出，这两种模型之间良好的一致性。两个模拟之间的差异最可能归因于TRNSYS和HOT2000之间分析方法的差异。正如前面提到的TRNSYS，是每小时模拟程序，用的是传递函数方法，而HOT2000使用的是更简的单箱子法。