空气源热泵辅助太阳能热水系统在夏热冬冷地区的运行模拟和应用研究

【摘要】：近年来,太阳能热水器的应用日益普及,但常规太阳能热水器易受气候的影响,不能全天候运行。空气源热泵热水机组作为一种高效节能装置,其开发利用得到了越来越广泛的重视,但当室外温度降低时,空气源热泵机组的供热量及效率也随之下降,尤其当冬季室外温度降到0℃以下时机组存在结霜除霜的问题。鉴于二者各自的特点,提出将这两个系统进行有机结合,组成空气源热泵辅助太阳能热水系统,可最大程度的克服两者的缺点、发挥两者的优点,从而保证全天侯高效地制取生活热水。 本文采用集总参数法建立了空气源热泵辅助太阳能热水系统的数学模型和模拟流程,利用MATLAB语言编写了该系统太阳能集热器倾斜角、太阳能单元制热量、热泵单元性能参数等模拟计算程序。研究了重庆地区太阳能集热面积与压缩机功率的最佳匹配情况以及太阳能集热器的最佳安装倾斜角度;以重庆地区的气象资料为基础,模拟研究了在全年不同工况下,太阳能单元单独运行对水箱水温的影响和热泵单元的运行时间、制热量、轴功率和热泵COP等性能参数,总结了这些参数随时间、蒸发温度和冷凝温度等因素的变化规律并分析了太阳能集热单元和热泵单元其余的性能影响因素。在此基础上模拟研究了全年每月热泵单元功耗最低时热泵的最佳开启时间,并对比分析了优化运行模式(最佳开启时间)和常规运行模式(14:00开启热泵)下热泵机组COP和系统COP,优化运行模式热泵机组COP均高于常规运行模式,优化运行模式系统COP为6.71,表明该系统具有很好的节能效果。 在以上研究的基础上,针对某一实际工程案例,测试了四季典型气象日该系统的运行性能,并将实测值和模拟值进行对比,验证了所建立数学模型的正确性和可靠性,同时得出了四季空气源热泵的性能变化曲线和拟合多项式。将空气源热泵辅助太阳能热水系统与其他几种常规热水系统在节能效益、经济效益和环保效益三个方面进行了对比分析,其中经济比较采用动态费用年值法,并分析了资金贷款利率和能源价格变化对各方案动态费用年值的影响。结果表明,在重庆地区气候特点下,与其他几种热水方案相比,空气源热泵辅助太阳能热水系统年运行能耗最低,经济、环保效益最好,适宜在该地区推广应用。 【关键词】：空气源热泵辅助太阳能热水 系统模拟 运行性能 优化运行模式 效益分析
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TU822
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 课题的提出9-10
• 1.2 空气源热泵与太阳能热水系统结合形式10-15
• 1.3 国内外研究现状15-19
• 1.3.1 国外研究现状15-17
• 1.3.2 国内研究现状17-19
• 1.4 本文的研究内容和意义19-21
• 2 空气源热泵辅助太阳能热水系统数学模型21-35
• 2.1 空气源热泵辅助太阳能热水系统基本原理21-24
• 2.1.1 系统原理21-22
• 2.1.2 系统运行模式22-23
• 2.1.3 系统控制方式23-24
• 2.2 太阳能集热单元数学模型24-26
• 2.2.1 太阳辐射量的计算24-25
• 2.2.2 太阳能集热器总采光面积25
• 2.2.3 真空管集热器数学模型25-26
• 2.3 空气源热泵单元数学模型26-31
• 2.3.1 蒸发器模型26-27
• 2.3.2 冷凝器模型27
• 2.3.3 制冷剂热物性计算模型27-30
• 2.3.4 压缩机模型30-31
• 2.4 系统数学模型31-34
• 2.4.1 系统数学模型整理32-33
• 2.4.2 系统模拟流程33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 3 空气源热泵辅助太阳能热水系统年运行性能模拟研究35-61
• 3.1 系统最佳匹配研究35-40
• 3.1.1 重庆地区月总太阳辐射量和日总辐射量35-36
• 3.1.2 重庆地区集热面积与压缩机功率的最佳匹配36-40
• 3.2 太阳能集热单元性能研究40-48
• 3.2.1 重庆地区集热器安装倾斜角的确定40-44
• 3.2.2 重庆地区太阳能单元单独运行对水箱水温的影响44-46
• 3.2.3 太阳能单元性能的影响因素46-48
• 3.3 空气源热泵单元性能研究48-59
• 3.3.1 运行工况选择48-49
• 3.3.2 热泵运行时间49-51
• 3.3.3 热泵单元制热量51-53
• 3.3.4 热泵单元轴功率53-55
• 3.3.5 热泵单元COP55-57
• 3.3.6 热泵单元性能的影响因素57-59
• 3.4 本章小结59-61
• 4 系统优化运行模式研究61-69
• 4.1 重庆地区热泵开启时间研究61-65
• 4.2 优化运行模式与常规运行模式对比65
• 4.3 优化运行模式系统性能系数65-67
• 4.4 本章小结67-69
• 5 系统的实际应用和模拟验证69-93
• 5.1 工程概况69-73
• 5.1.1 系统结构69-71
• 5.1.2 系统运行模式和控制策略71-73
• 5.2 测试方案73-75
• 5.2.1 系统测试性能指标73-74
• 5.2.2 测试方法74-75
• 5.3 四季典型气候日系统性能测试结果与分析75-88
• 5.3.1 夏季测试结果与分析75-79
• 5.3.2 秋季测试结果与分析79-82
• 5.3.3 冬季测试结果与分析82-85
• 5.3.4 春季测试结果与分析85-88
• 5.4 空气源热泵性能拟合公式88-90
• 5.5 实测系统存在的问题和建议90-92
• 5.6 本章小结92-93
• 6 空气源热泵辅助太阳能热水系统效益分析93-103
• 6.1 系统节能效益分析93-96
• 6.2 系统经济效益分析96-101
• 6.2.1 经济效益评价方法96-97
• 6.2.2 各方案经济效益比较97-98
• 6.2.3 各方案费用年值影响因素分析98-101
• 6.3 系统环保效益分析101-102
• 6.4 本章小结102-103
• 7 结论和展望103-107
• 7.1 主要工作和结论103-104
• 7.2 展望104-107
• 致谢107-109
• 参考文献109-113
• 附录 作者在攻读学位期间发表的论文及专利目录113

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