太阳能—地能双热源复合式热泵性能研究

【摘要】：热泵技术以其高效、节能和环保等技术特点,成为建筑物供热、空调最为广泛的应用方式之一。但是,在实际应用中,单一热源热泵存在各自的突出问题。如空气源热泵室外换热器冬季存在结霜、除霜问题,太阳能热泵存在间歇性和不稳定性问题,地源热泵采用地下水系统时存在用水量过大、水泵功耗高和采用土壤埋管系统时存在地下埋管面积较大、初投资大问题,制约了其进一步发展和应用。目前,结合单一热源热泵系统特点的复合热源热泵技术已成为暖通空调行业研究发展趋势之一。 本文针对单一热源热泵存在的缺陷,考虑到太阳能和浅层地能资源分布广泛,且作为热泵热源时可以互相弥补自身的不足,针对北方气候特点,提出了一种新型的太阳能—地能双热源复合式热泵系统(Solar-Ground Double Heat Sources Compound Heat Pump System,SGCHP),通过自行开发设计的壳—套管三介质复合换热器,实现了对太阳能、浅层地能两种可再生能源的同步或交替利用,提高了热泵系统全年运行的可靠性、稳定性和经济性。 本文首先对太阳能—地能双热源复合式热泵系统的工作原理、工作模式及复合特性等关键问题进行理论分析,在此基础上设计并搭建太阳能—地能双热源复合式热泵实验台,在不同实验工况下,分别对太阳能—地能双热源复合式热泵系统的单一太阳能热源模式、单一地能热源模式和双热源有效复合模式下的制热性能进行测试,获取了太阳能—地能双热源复合式热泵系统在各种热源工作模式下的系统特性,提出了复合式热泵系统的运行策略。 实验研究结果表明:在双热源有效复合制热工作模式下,保持壳—套管三介质复合换热器总水量不变,随着壳侧地能水的减少、内管侧太阳能水流量和温度的增加,热泵系统的制热量和COP均超过单一地能热源工作模式额定工况下的制热量和COP。因此该复合式热泵系统,通过太阳能热源的有效补充,既可减少了地下水的循环量,又提高了系统的制热量及运行效率。 根据实验研究结果,提出了不同工况下的运行策略。当蓄热水箱温度高于20℃时,采用单一太阳能热源工作模式;当蓄热水箱温度介于15~20℃之间时,采用太阳能—地能双热源工作模式;当蓄热水箱温度低于15℃时,采用单一地能热源工作模式。 【关键词】：太阳能 地能 热泵 复合换热器 复合工作模式 性能研究
【学位授予单位】：中原工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TU831.6
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1. 绪论11-18
• 1.1 研究背景和意义11-13
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 研究意义12-13
• 1.2 复合热源热泵的分类和研究现状13-16
• 1.2.1 复合热源热泵的分类13-15
• 1.2.2 复合热源热泵研究现状15-16
• 1.3 研究内容16-18
• 2. 太阳能—地能双热源复合式热泵系统18-27
• 2.1 太阳能—地能双热源复合式热泵系统组成及工作原理18-19
• 2.2 太阳能—地能双热源复合式热泵系统相关概念19-20
• 2.3 太阳能—地能双热源复合式热泵系统的工作模式分析20-21
• 2.3.1 单一太阳能热源工作模式20
• 2.3.2 太阳能—地能双热源同步复合工作模式20-21
• 2.3.3 单一地能热源工作模式21
• 2.4 双热源复合式换热器的设计21-27
• 2.4.1 壳—套管三介质复合式换热器设计流程21
• 2.4.2 壳—套管三介质复合式设计计算21-26
• 2.4.3 壳—套管三介质复合式换热器加工工艺26-27
• 3. 太阳能—地能双热源复合式热泵系统实验研究27-36
• 3.1 太阳能—地能双热源复合式热泵系统实验27-32
• 3.1.1 实验目的27
• 3.1.2 实验台设计27-30
• 3.1.3 实验方案30-32
• 3.2 实验过程32-33
• 3.2.1 实验前的准备工作32
• 3.2.2 实验操作步骤32-33
• 3.2.3 实验中的注意事项33
• 3.3 数据处理与误差分析33-36
• 3.3.1 数据处理33-35
• 3.3.2 误差分析35-36
• 4. 结果与分析36-52
• 4.1 单一地能热源工作模式36-38
• 4.2 单一太阳能热源工作模式38-40
• 4.3 太阳能—地能有效复合工作模式40-44
• 4.3.1 最大有效复合换热温差的确定40-42
• 4.3.2 有效复合制热工作模式42-44
• 4.4 不同热源工作模式下实验结果对比分析44-50
• 4.4.1 单一地能热源和单一太阳能热源制热工况下实验结果对比分析44-45
• 4.4.2 单一地能热源和复合热源工作模式制热工况下实验结果对比分析45-50
• 4.5 不同热源工作模式运行策略50-52
• 5. 研究结论与展望52-54
• 5.1 研究结论52-53
• 5.2 工作展望53-54
• 参考文献54-58
• 附录：攻读硕士学位期间取得的科研成果58-59
• 致谢59-60

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