摘 要

社会的快速发展伴随着能源链的增长，能源需求和消耗都在不断增多，造成的大气污染、环境污染问题都越发严重。输油站能耗巨大，输送过程中环境温度对输送效率有极大的影响，在输油站使用空气源-太阳能多源互补式热泵，不仅避免了单一热源热泵运行的缺陷，满足输油站长年的供热需求，并且能够减少有害物质的排放，达到节能环保、高效运行的目标。为了改善输油站恶劣的工作环境，本文还对该输油站某建筑的典型房间设计了空调系统，以进行供冷匹配。最后通过对空气源-太阳能多源互补式热泵的节能及经济效益的评估，对该系统的可行性进行了分析。本文研究成果包括以下几点：

（1）提出并设计了在输油站场上使用空气源-太阳能多源互补式热泵系统的概念，解决了传统单一热泵系统运行的缺陷，减少污染物质的排放；

（2）针对武汉地区太阳能辐射情况，制作出太阳集热能力表格，统计数据结果证明：系统太阳能集热器安装倾角为10°时，收集的太阳辐射量能够达到最大；

（3）在TRNSYS模拟平台上建立了该空气源-太阳能多源互补式热泵系统的仿真模型，并进行其运行性能分析，仿真结果显示：该系统工作时间内可将供水稳定加热至60℃左右，能够保证全年供热需求，并且夏季耗电量明显低于冬季；

（4）该输油站某建筑典型房间冷负荷最大值出现在下午14:00，根据该时刻冷负荷值进行空调系统的供冷匹配设计，保证该输油站工作人员的工作环境的舒适性；

（5）评估空气源-太阳能多源互补式热泵的节能性、环保性及经济性，结果显示：该系统具有良好的节能环保效益及经济效益，发展前景可观，具有投资可行性。

关键词：空气源；太阳能；系统性能；空调匹配；效益分析

Abstract

Society is developing rapidly with the growth of energy chain, energy demand and energy consumption are growing continuously, resulting in air pollution, environmental pollution problems are more serious. The oil industry as a large capacity and large energy consumption, energy consumption is inevitable. The oil station is responsible for the delivery of crude oil. In transportation, the ambient temperature during transportation has a great impact delivery efficiency. Using air source-solar multi-source complementary heat pump in the oil station, not only to avoid a single heat pump operation defects to meet the oil supply station for many years of heating needs, but also reduce the emissions of harmful substances to achieve energy saving and efficient operation. In order to make the staff have a more comfortable working environment, this paper designs the air conditioning system of a building in the oil station, and makes a cooling connection to the HVAC system in the oil station. Finally, the feasibility of the system is analyzed by assessing the energy saving and economic benefits of the air source-solar multi-source complementary heat pump. The results of this paper include the following:

1. Proposed and designed the air source-solar multi-source complementary heat pump system concept in the oil station, to solve the traditional single heat pump system’s operation defects and reduce pollutant emissions;
2. According to the solar radiation in Wuhan area, the solar heating capacity table was made in this paper. The calculated results show that the solar radiation collected can reach the maximum when the solar collector is installed at an angle of 10 °.
3. The simulation model of the air source-solar multi-source complementary heat pump system is established on the TRNSYS simulation platform, and the running performance analysis is carried out. The simulation results show that the water can be heated to about 60 ℃ during the working time to ensure the annual heating demands; As the summer solar radiation is more adequate, summer electricity consumption was significantly lower than the winter, reducing the system power consumption;
4. The maximum cooling load time of a typical room in the oil station building is at 14:00 pm. According to the cold load value, the air conditioning system is designed to match the cooling capacity, which ensures the comfort of the working environment of the staff.
5. Made evaluation of energy efficiency, environmental protection and economy of the air source-solar multi-source complementary heat pump, the results show that the system has a good energy saving and environmental and economic benefits, the development of the system is considerable, the investment is also feasible.

Key Words： air source；solar energy；system performance；air conditioning matching；benefit analysis

目 次

第1章 概 述 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 多源互补式热泵的原理及研究水平 3

1.2.2 太阳能在国内外石油企业和建筑供热中的应用 4

1.2.3 空气源-太阳能热泵系统在国内外的仿真模拟研究 4

1.2.4 空气源-太阳能热泵系统在国内外的实验研究 5

1.3 本文研究目的及内容 6

1.3.1研究目的 6

1.3.2 主要研究内容 6

第2章 空气源-太阳能多源互补式热泵系统基本理论 8

2.1 空气源热泵工作原理及系统组成 8

2.2 武汉地区空气能资源的可利用性 8

2.3 太阳能供热系统工作原理及系统组成 9

2.4 武汉地区太阳能辐射资源的可利用性 10

2.5 空气源-太阳能多源互补式热泵系统工作原理及系统组成 10

2.6 本章小结 10

第3章 太阳辐射量计算 12

3.1太阳能资源分布 12

3.2武汉地区太阳能辐射情况 12

3.3 太阳角计算 14

3.3.1太阳时角与赤纬角的计算 14

3.3.2 太阳高度角和太阳方位角的计算 14

3.4 太阳辐射强度的计算 14

3.4.1 太阳直射辐射强度 14

3.4.2 太阳散射辐射强度 15

3.4.3 太阳总辐射强度 15

3.5 本章小结 16

第4章 空气源-太阳能多源互补式热泵供热系统 17

4.1 工程概况 17

4.2 空气源热泵加热子系统的设计 17

4.2.1 空气源热泵机组的确定 17

4.2.2 蓄热水箱的确定 17

4.2.3 空气源热泵系统仿真模型 17

4.3 太阳能加热子系统的设计 18

4.3.1 太阳能集热面积的确定 18

4.3.2 太阳能集热器的安装定位 19

4.3.3 太阳能加热子系统的仿真模型 20

4.4 空气源-太阳能多源互补式热泵仿真模型及运行结果 20

4.5 供热系统设备选型 23

4.6 本章小结 23

第5章 典型房间空调系统 25

5.1 空调设计气象参数 25

5.2 围护结构参数 25

5.3 冷负荷计算 26

5.4 典型房间冷负荷计算 28

5.5 空调系统设备选型 32

5.6 本章小结 32

第6章 节能与经济效益分析 34

6.1 节能效益分析 34

6.2 环保效益分析 35

6.3 系统运行费用评估 36

6.4 系统投资回收期 37

6.5 本章小结 37

第7章 总结与展望 38

7.1 总结 38

7.2 展望 39

参考文献 40

附录A 武汉地区太阳集热能力表格 （1月、7月） 42

附录B 攻读学位期间所参与的项目 50

致 谢 51

第1章 概 述

1.1 研究背景与意义

石油行业是现代社会的产能大户，亦是耗能大户，与社会的发展进程密不可分。输油站是石油行业的核心组成部分，基本功能是为原油的运输提供能量，可分为首站、中间站及末站。输油站场包括生产区和生活区，这两大区域都需要长年累月的供热维持正常工作状态。其中生产区包括主要作业区和辅助作业区，主要作业区中的油罐区、计量间、油品预处理设施、站控室等，辅助作业区中的机修间、油品化验室、办公室及员工宿舍等区域又都需要供热系统和空调供冷系统的匹配，为工作人员提供良好工作环境。

为保证原油产品的正常运输，传统长输管道及油气集输系统通常利用油田伴生气作为供热燃料，一般采用热水伴热或掺热水加热的方式对油田产品进行分配和输送。资料显示，我国各输油站每运输1吨原油平均耗气约为15~35m³，是国外同类型输油站平均能耗的3至5倍，我国大庆油田每集输1吨原油耗气27m³，油田年耗气量达1.3×10⁹m³^[1]，能耗巨大，给地球资源及环境造成负担，图1.1为国内某输油站罐区。