广州地区太阳能/空气源热泵热水系统性能研究

【摘要】：能源和环境已成为社会普遍关注的焦点问题。随着我国全面建设小康社会步伐的加快，能源消耗的快速增长必将使我国面临更加严峻的环境压力。提高能源利用效率，减少常规能源消耗，合理使用可再生能源，已成为社会共识。制备生活热水所消耗的能源是我国居住建筑的能源消耗的一个重要组成部分，随着生活水平的不断提高，这部分能耗还会出现较大幅度增长，特别是在炎热潮湿的华南地区。本文以广州地区为例，通过搭建实验台，对太阳能热水系统、空气源热泵热水系统和空气源热泵辅助太阳能热水系统的运行过程进行全年运行测试，对运行性能和经济性进行了比较分析，为广州地区居住建筑生活热水系统的应用提供技术支持。 通过搭建太阳能(电辅助)热水系统、空气源热泵热水系统和空气源热泵辅助太阳能热水系统性能实验装置，对三种热水系统在广州地区全年典型气象条件下的热力性能进行了测试。结果显示，太阳能热水系统的集热器的日平均效率随季节变化不大，约为53.5%，日平均集热效率随太阳辐射强度的增大，略有下降；空气源热泵热水系统的供热性能系数COPH不仅与环境温度和进水温度有关，还与空气的相对湿度有关，通过实测数据分析，获得了COPH与环境温度、相对湿度和进水温度的关系式：COPH=(0.0348t+0.1364φ+0.6867)3(-0.0041t2L+0.164tL+1.4378)，为空气源热泵热水系统的全年性能分析打下了基础。 建立了三种热水系统运行能耗的数学模型，根据广州地区典型气象年的气象参数，以能耗最低为目标函数，分析了广州地区太阳能热水系统集热器的安装角度及空气源热泵辅助太阳能热水系统优化运行模式，结果显示，集热器安装的最佳倾角为13.1°，空气源热泵辅助太阳能热水系统中热泵在每天17:00开启能充分发挥太阳能集热器的作用。 以广州地区某设计日用水量10t的学生宿舍楼为例，分析了三种热水系统的全年运行能耗。在典型气象年气象参数条件下，太阳能(电辅助)热水系统、空气源热泵热水系统、空气源热泵辅助太阳能热水系统年运行能耗分别约为64556.2kWh、44636.17kWh、23043.52kWh，单位热水耗能分别约为17.69kWh/t/d、12.23kWh/t/d、6.31kWh/t/d，空气源热泵热水系统的单位热水能耗为太阳能（电辅助）热水系统的69.14%，如将空气源热泵作为辅助热源与太阳能热水系统组合，则单位热水耗能大大降低，仅为太阳能（电辅助）热水系统的35.7%。 对太阳能(电辅助)热水系统、空气源热泵热水系统、空气源热泵辅助太阳能热水系统以及其他传统热水系统在广州地区的节能效益、经济效益和环保效益进行了对比分析。结果表明，太阳能(电辅助)热水系统、空气源热泵热水系统和空气源热泵辅助太阳能热水系统年运行能耗分别为传统天然气锅炉热水系统年运行能耗的96.19%、66.53%和34.34%。；三种热水系统动态费用年值分别为传统天然气锅炉热水系统动态费用年值的92.47%、62.94%和61.81%；在使用年限内，三种热水系统二氧化碳排放量相对于传统能源热水系统分别减少432.5t、549.05t、675.38t。 【关键词】：太阳能 空气源热泵 热水系统 运行性能 效益分析
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU822
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 前言10-15
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 太阳能热水系统国内外研究现状11-12
• 1.2.2 空气源热泵热水系统国内外研究现状12-13
• 1.2.3 空气源热泵辅助太阳能热水系统国内外研究现状13-14
• 1.3 研究内容及技术路线14-15
• 1.3.1 研究内容14
• 1.3.2 本文技术路线14-15
• 第二章 热水系统性能测试实验装置15-24
• 2.1 实验测试样机概况15-20
• 2.1.1 太阳能(电辅助)热水系统参数15-16
• 2.1.2 空气源热泵热水系统参数16-18
• 2.1.3 空气源热泵辅助太阳能热水系统参数18-20
• 2.2 实验测试方案20-23
• 2.2.1 系统性能测试指标20-21
• 2.2.2 测试参数及测试仪表21-22
• 2.2.3 测试方法22-23
• 2.2.4 测试时间23
• 2.2.5 实验误差分析23
• 2.3 本章小结23-24
• 第三章 热水系统运行性能测试结果分析24-46
• 3.1 全年典型气象日系统性能测试结果及分析24-44
• 3.1.1 春季测试结果及分析24-29
• 3.1.2 夏季典型日测试结果及分析29-32
• 3.1.3 秋季测试结果及分析32-36
• 3.1.4 冬季测试结果及分析36-44
• 3.2 太阳能集热单元性能分析44-45
• 3.3 空气源热泵性能拟合公式45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 热水系统的全年运行能耗分析46-57
• 4.1 各系统数学模型46-49
• 4.1.1 太阳辐照度的计算46-47
• 4.1.2 真空管集热器数学模型47-48
• 4.1.3 热泵数学模型48
• 4.1.4 辅助电加热单元耗电量计算48-49
• 4.1.5 空气源热泵辅助太阳能热水系统模拟流程49
• 4.2 各系统年运行性能计算结果及分析49-56
• 4.2.1 太阳能(电辅助)热水系统年运行性能49-52
• 4.2.2 空气源热泵年运行性能52-53
• 4.2.3 空气源热泵辅助太阳能热水系统年运行性能53-56
• 4.3 本章小结56-57
• 第五章 热水系统效益对比分析57-63
• 5.1 热水系统节能效益对比57-59
• 5.2 热水系统经济效益对比59-61
• 5.2.1 经济效益评价方法59
• 5.2.2 热水系统经济效益比较59-61
• 5.3 热水系统环保效益对比61-62
• 5.4 本章小结62-63
• 第六章 结论与展望63-65
• 6.1 主要工作和结论63-64
• 6.2 展望64-65
• 参考文献65-68
• 附录 攻读学位期间发表的论文68-69
• 致谢69

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