合肥地区空气源热泵与太阳能热水耦合系统研究

【摘要】：在能源资源消费过量及环境污染严重的大环境下，建筑节能工作不断推进，节能环保的生活热水制备方式被广泛提起。清洁无污染的太阳能热水系统在我国较为普及，但其在阴雨天气效率不佳的缺点决定了为其添加辅助热源的重要性。空气源热泵热水机组通过消耗少量的电能，从空气中提取低品位热能用于加热，是高效节能的热水设备，但在室外气温0℃以下的环境中其效率较低且存在结霜除霜的问题。故提出将二者耦合，构成空气源热泵与太阳能热水耦合系统，能有效的扬长避短，高效节能的制备生活热水。 利用TRNSYS软件建立了空气源热泵与太阳能热水耦合系统的可视化系统模型和仿真流程；以合肥地区某培训中心宿舍生活热水工程为例，研究了该系统太阳能集热面积与热泵功率的匹配问题；以每天14:00开启热泵的常规运行模式，模拟分析了太阳辐射、室外气温及水箱水温等因素对系统性能的影响及系统全年的运行特性。在此基础上，研究了使系统全年能耗最低的每月热泵最佳开启时刻，在此优化模式下运行，全年平均系统COP值高达17.88，较常规模式高5.97%；其全年系统总能耗8587.73kWh，单位热水能耗2.94kWh/t，较常规模式下降5.63%，节能效果显著。其后，对比分析了空气源热泵与太阳能热水耦合系统和其他几种常规的热水制备方案的节能效益、环保效益和经济效益；研究结果表明，空气源热泵与太阳能热水耦合系统的常规能源替代量为26.35tce/a，二氧化碳减排量65.08t/a，二氧化硫减排量0.53t/a，粉尘减排量0.26t/a，在对比的几种方案中具有最优的节能性和环保性；而空气源热泵与太阳能热水耦合系统的经济性受贷款利率影响较大，当贷款利率低于11.02%时，相比于其他方案，该系统具有最优的经济性；但其经济性优势随能源价格的上涨而更加明显，因而在合肥地区具有很高的推广价值。 【关键词】：空气源热泵 太阳能热水器 耦合系统 优化运行 效益分析
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU822;TU83
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• Abstract9-17
• 第一章 绪论17-26
• 1.1 研究的背景及意义17-21
• 1.1.1 研究的背景17-20
• 1.1.2 研究的意义20-21
• 1.2 国内外研究现状21-25
• 1.2.1 国外研究现状21-23
• 1.2.2 国内研究现状23-25
• 1.3 研究的主要内容25-26
• 第二章 系统的基本原理及数学描述26-34
• 2.1 空气源热泵与太阳能热水耦合系统的基本原理26-28
• 2.1.1 系统的基本形式26
• 2.1.2 热水加热原理26-27
• 2.1.3 系统运行模式27
• 2.1.4 系统控制方式27-28
• 2.2 系统主要部件及主要热过程的数学描述28-33
• 2.2.1 太阳辐射量的计算模型28-30
• 2.2.2 太阳能集热器的总采光面积30
• 2.2.3 真空管集热器的数学模型30-31
• 2.2.4 热泵循环模型的数学描述31-32
• 2.2.5 压缩机模型32-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第三章 典型运行模式下的系统性能模拟研究34-63
• 3.1 合肥地区的气象条件34-37
• 3.1.1 合肥地区的气候特点34
• 3.1.2 合肥地区的气象数据34-37
• 3.2 太阳能集热面积与热泵功率的匹配研究37-42
• 3.2.1 匹配问题研究的目的与方法37-38
• 3.2.2 空气源热泵型号的选择38-40
• 3.2.3 太阳能集热面积的确定40-42
• 3.3 基于 TRNSYS 软件的系统模型的建立42-47
• 3.3.1 TRNSYS 软件介绍42-43
• 3.3.2 TRNSYS 环境下可视化模型的建立43-46
• 3.3.3 系统的模拟流程46-47
• 3.4 系统性能的影响因素研究47-56
• 3.4.1 太阳能单元性能的影响因素研究47-49
• 3.4.2 热泵单元性能的影响因素研究49-56
• 3.5 系统全年运行工况下的性能研究56-62
• 3.5.1 太阳能单元单独运行的全年供热能力研究56-57
• 3.5.2 热泵单元的全年性能及能耗研究57-62
• 3.6 本章小结62-63
• 第四章 系统全年运行模式的优化研究63-83
• 4.1 常规运行模式下的系统全年能耗63-64
• 4.2 系统全年运行模式的优化64-76
• 4.3 优化模式与常规模式的系统性能对比76-81
• 4.3.1 热泵单元性能对比76-78
• 4.3.2 系统 COP 的对比78-81
• 4.4 本章小结81-83
• 第五章 效益分析83-96
• 5.1 节能效益分析83-86
• 5.1.1 系统的全年常规能源替代量83
• 5.1.2 各种热水制备方案的能耗对比83-86
• 5.2 环保效益分析86-88
• 5.3 经济效益分析88-94
• 5.3.1 经济效益的评价方法88-89
• 5.3.2 基于动态费用年值法的系统经济性分析89-92
• 5.3.3 各方案动态费用年值的影响因素分析92-94
• 5.4 本章小结94-96
• 第六章 结论与展望96-99
• 6.1 结论96-97
• 6.2 展望97-99
• 参考文献99-102
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况102-103

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