SCPC集热器及其太阳能热泵热水系统研究

【摘要】：蛇形管复合抛物面聚光(Serpentine Compound Parabolic Concentrator,简称SCPC)集热器是结合普通复合抛物面聚光(Compound Parabolic Concentrator,简称CPC)集热器和平板式集热器的优点而设计开发的一种新型集热器,将SCPC集热器与改进的混合式太阳能热泵热水系统结合又设计了一种新的能量利用系统——SCPC- SAHPWH系统(SCPC- Solar Assisted Heat Pump Water Heater System,简称SCPC- SAHPWH系统),本文对上述两种系统进行了深入的理论和实验研究,并探讨了新型辅助热源、新型空调末端和新风方式在SCPC- SAHPWH系统中的应用,主要研究内容如下: (1)提出了一种新型的SCPC集热器,阐明了该集热器的设计方法和结构特点。全面考虑了太阳直射、散射和地面反射的影响,以集热单元上的某一微元体为研究对象,依据能量平衡原理建立微元体非稳态传热模型。研究了气象参数、系统运行参数和SCPC集热器结构对其性能的影响,确定了集热器性能的主要影响因素。对集热器进行了结构优化,得到了计算条件下横管布置排数和聚光比的优化结果。 (2)依据理论研究的优化结果,设计了SCPC集热器实验样机,搭建了实验系统,依据国家有关集热器测试标准设计了实验内容,并分别对集热器无盖板和有盖板两种情况进行了实验研究。实验结果表明,SCPC集热器具有较高的集热效率,盖板对集热器的集热能力具有较好的改善作用,加装盖板之后,集热器的集热效率得到显著提高。 (3)将具有较高集热效率的SCPC集热器与改进的混合式太阳能热泵热水系统相结合,设计了一种新型的SCPC- SAHPWH系统。建立了SCPC- SAHPWH系统并联工作模式和串联工作模式的非稳态数学模型,确定了串、并联工作模式的转换原则和并联向单独太阳能供热的转换原则,计算了太阳能保证率。首次引入柴油机和汽油机驱动的热泵作为SCPC- SAHPWH系统的辅助热源,扩大了SCPC- SAHPWH系统的应用范围。首次采用寿命周期费用模型分析SCPC- SAHPWH系统辅助热源的经济性。 (4)提出以置换通风作为SCPC-SAHPWH系统的室内空调送风方式,以可逆通风系统作为新风送风方式的两个节能新思路。建立了置换通风系统数值模拟的数学模型,模拟分析了置换通风的流态特性;将自有专利技术可逆新风系统与SCPC-SAHPWH系统结合,论证了可逆新风系统的节能情况和设计方法。 【关键词】：SCPC 集热器 太阳能热泵热水系统 性能结构优化 实验研究 应用
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU831.6
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-24
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 国内外研究发展状况11-20
• 1.2.1 太阳能集热器的研究发展现状11-14
• 1.2.2 太阳能热泵热水系统的研究现状14-20
• 1.3 问题的提出20
• 1.4 主要研究内容及方法20-22
• 1.4.1 本文的主要研究内容20-21
• 1.4.2 本文的主要研究方法21-22
• 1.5 论文架构22-24
• 第二章 太阳能热利用理论基础24-39
• 2.1 太阳几何学基础24-29
• 2.1.1 太阳几何学有关物理量的定义25-26
• 2.1.2 太阳角的计算26-28
• 2.1.3 倾斜面上的太阳光线入射角28-29
• 2.2 太阳辐射学基础29-38
• 2.2.1 地球大气层外的太阳辐射29-31
• 2.2.2 太阳辐射在大气中的衰减31-35
• 2.2.3 水平面、倾斜面上的直射太阳辐射35-36
• 2.2.4 散射辐射36-37
• 2.2.5 太阳的总辐射37-38
• 2.3 本章小结38-39
• 第三章 SCPC 集热器性能分析及优化39-72
• 3.1 SCPC 集热器设计39-43
• 3.1.1 集热器结构设计39-42
• 3.1.2 集热器的特点42-43
• 3.2 SCPC 集热器性能分析43-52
• 3.2.1 集热器光学分析43-46
• 3.2.2 集热器热性能分析模型46-52
• 3.3 集热器热性能分析结果52-65
• 3.3.1 气象参数对集热器性能的影响56-62
• 3.3.2 系统运行参数对集热器性能的影响62-65
• 3.4 SCPC 集热器结构对其性能的影响及优化65-71
• 3.4.1 SCPC 集热器结构对其性能的影响65-68
• 3.4.2 SCPC 集热器的结构优化68-71
• 3.5 本章小结71-72
• 第四章 SCPC 集热器实验研究72-87
• 4.1 实验系统介绍72-77
• 4.1.1 SCPC 集热系统72-74
• 4.1.2 实验测试与数据采集系统74-77
• 4.2 无盖板SCPC 集热器实验结果及分析77-82
• 4.2.1 实验条件78
• 4.2.2 实验结果与分析78-82
• 4.3 有盖板SCPC 集热器实验结果及分析82-86
• 4.3.1 实验条件82-83
• 4.3.2 实验结果与分析83-86
• 4.4 本章小结86-87
• 第五章 SCPC- SAHPWH 系统研究87-104
• 5.1 SCPC- SAHPWH 系统87-89
• 5.1.1 系统工作原理87-89
• 5.1.2 系统特点89
• 5.2 SCPC- SAHPWH 系统模型89-92
• 5.2.1 系统并联工作模式能量分析模型90-91
• 5.2.2 系统串联工作模式能量分析模型91-92
• 5.3 系统性能理论研究92-97
• 5.3.1 系统性能理论研究结果及分析92-96
• 5.3.2 SCPC 集热器与热泵系统的匹配96-97
• 5.4 SCPC- SAHPWH 系统辅助热源分析97-103
• 5.4.1 SCPC- SAHPWH 系统辅助热源原理98
• 5.4.2 系统辅助热源热力学分析98-100
• 5.4.3 寿命周期费用分析模型100-101
• 5.4.4 系统辅助热源寿命周期费用分析101-103
• 5.5 本章小结103-104
• 第六章 SCPC- SAHPWH 系统应用研究104-118
• 6.1 SCPC- SAHPWH 系统空调送风方式——置换通风104-109
• 6.1.1 理论模型的建立105-106
• 6.1.2 参数指标及研究工况设定106-108
• 6.1.3 研究结果及分析108-109
• 6.2 SCPC- SAHPWH 系统的新风系统——可逆通风系统109-116
• 6.2.1 可逆通风系统工作原理及特点110-111
• 6.2.2 可逆通风系统理论研究111-114
• 6.2.3 可逆通风系统应用研究114-116
• 6.3 本章小结116-118
• 第七章 结论与展望118-122
• 7.1 结论118-120
• 7.2 本文的主要创新120-121
• 7.3 研究展望121-122
• 参考文献122-132
• 发表论文和参加科研情况说明132-133
• 致谢133

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